Kortlægning af emissioner fra decentrale kraftvarmeværker Eltra PSO projekt 3141 Delrapport 4 Måleprogram og analyse af emissioner fra gasfyrede decentrale kraftvarmeanlæg < 25 MW e April 2003 Dansk Gasteknisk Center a/s
Kortlægning af emissioner fra decentrale kraftvarmeværker Eltra PSO projekt 3141 Delrapport 4 Måleprogram og analyse af emissioner fra gasfyrede decentrale kraftvarmeanlæg < 25 MW e Per G. Kristensen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2003
Titel : Måleprogram og analyse af emissioner fra decentrale kraftvarmeanlæg < 25 MWe Rapport kategori : Delrapport, offentlig tilgængelig Forfatter : Per G. Kristensen Dato for udgivelse : 30.04.03 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : 722.71 Sagsnavn : Eltra PSO-projekt 3141 ISBN : 87-7795-237-5 For ydelser af enhver art udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder: at DGC er ansvarlig i henhold til Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89), som er vedtaget for opgaven, med mindre andet aftales skriftligt. at erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl eller forsømmelse. Ansvaret er dog altid begrænset til maksimum 100% af det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende opgave. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der måtte overstige DGC s hæftelse. at DGC skal - uden begrænsning - omlevere egne ydelser i forbindelse med fejl, mangler og forsømmelser i DGC s materiale. Dette gælder dog ikke længere end 5 år fra opgavens udførelse. at rekvirenten er ansvarlig for, at de iht. lov gældende sikkerheds- og arbejdsmiljøregler hos rekvirenten kan overholdes af DGC i forbindelse med opgavens udførelse. Såfremt DGC må standse, afbryde og/eller udsætte en opgave, fordi disse regler ikke kan overholdes, må rekvirenten bære DGC s eventuelle ekstraomkostninger i forbindelse hermed. Marts 2000
DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Indledning...3 2 Resume...4 2.1 Hovedresultater for naturgasmotorer...5 2.2 Hovedresultater for biogasmotorer...7 2.3 Hovedresultater for gasturbiner...9 3 Afgrænsning og metode...10 4 Karakterisering af det gennemførte måleprogram...11 4.1 Planlagt måleprogram...11 4.2 Afvigelser...12 4.3 Motoranlæg med naturgas...12 4.4 Motoranlæg med anden gas...13 4.5 Gasturbineanlæg med naturgas...14 5 Resultater af måleprogrammet...15 5.1 Emissioner fra naturgasmotorer...15 5.1.1 NO x...15 5.1.2 CO...18 5.1.3 Uforbrændt kulbrinte (UHC)...21 5.1.4 Sammensætningen af UHC...23 5.1.5 Aldehyder og ketoner...27 5.1.6 Lugtemission...33 5.1.7 Butadien...37 5.1.8 Lattergas...38 5.1.9 Polyaromatiske hydrocarboner (PAH)...39 5.1.10 Smøreoliedampe og -aerosoler...40 5.1.11 Partikler...42 5.1.12 Ændrede emissioner ved start og stop...43 5.1.13 Øvrige supplerende oplysninger...51 5.2 Emissioner fra biogasmotorer...52 5.2.1 NO x...52 5.2.2 CO...54 5.2.3 Uforbrændt kulbrinte (UHC)...56 5.2.4 SO 2...58
DGC-rapport 2 5.2.5 Formaldehyd...59 5.2.6 Lugt...60 5.2.7 Partikler...61 5.2.8 Polyaromatiske hydrocarboner (PAH)...62 5.2.9 Øvrige emissioner...63 5.2.10 Øvrige supplerende oplysninger for biogas...64 5.3 Emissioner fra naturgasturbiner...65 5.3.1 NO x...65 5.3.2 CO...67 5.3.3 Uforbrændt kulbrinte (UHC)...68 5.3.4 Andre emissioner...69 5.3.5 Øvrige supplerende oplysninger...70 6 Validitet og dækningsgrad af emissionsdata...71 6.1 Dækningsgrad for turbiner og motorer...71 6.2 Validitet af emissionsdata...71 6.2.1 Naturgasmotorer...71 6.2.2 Biogasmotorer...76 6.2.3 Naturgasturbiner...76 7 Emissioner i forhold til eksisterende emissionsgrænseværdier...77 7.1 Naturgasmotorer...77 7.2 Biogasmotorer...78 7.3 Gasturbiner...79 8 Usikkerhedsbetragtninger for emissionsfaktorer...80 8.1 Beregningsgrundlag...80 8.2 Resultater...82 Bilag A: Resultattabel naturgasmotorer B: Resultattabel biogasmotorer C: Resultattabel turbiner D: Resultater af start stop målinger på naturgasmotor #20 E: Emissionsfaktorer beregnet af DMU, g/gj F: Emissionsfaktorer omregnet til vægtenheder for gasfyrede anlæg, DMU
DGC-rapport 3 1 Indledning Eltra har givet et konsortium bestående af dk-teknik, Danmarks Miljøundersøgelser, Risø, Dansk Fjernvarmeværkers Forening og Dansk Gasteknisk Center (som projektleder) opgaven, at indsamle viden om emissionsdata for de opstillede decentrale kraftvarmeværker i Danmark. Hovedformålet med projektet er at kortlægge emissionerne og finde pålidelige emissionsfaktorer for den brændselsbaserede decentrale elproduktion. Projektets formål er endvidere at undersøge, hvorvidt der forekommer emissioner fra de decentrale værker, som ikke indgår i de normale emissionsmålinger. Projektet er delvist et Eltra PSO finansieret projekt, delvist et Eltra finansieret projekt. Alle projektets resultater vil være offentlige, dog således at emissionsdata fra enkeltværker ikke vil kunne genkendes. Nærværende delrapport 4 omhandler resultaterne af det gennemførte måleprogram for gasfyrede anlæg, samt en vurdering af validiteten af de tidligere gennemførte emissionsmålinger. Endvidere diskuteres de fundne emissionsniveauer med udgangspunkt i gældende regler og vejledninger. Parallelt hermed udarbejdes tilsvarende delrapport for affalds- og biomasseanlæg. DGC ønsker at takke alle der velvilligt har stillet data til rådighed for projektet, ligesom der skal lyde en særlig tak til de værker der har givet måleadgang. Til projektet har der været tilknyttet en faglig følgegruppe. Følgegruppen takkes for en engageret deltagelse, fagligt konstruktive kritik og de gode forslag, der er fremkommet undervejs. Følgegruppen har bestået af : Fritz Unold, Elsam/Dafonet, Erik Thomsen, Miljøstyrelsen, Vibeke Vestergaard Nielsen, Miljøstyrelsen, Bo Sander, Elsam/Techwise, Kim Behnke, Eltra, Thomas Hartmann, Elkraft System, Johan Henrik Lous, Energi E2, Henrik Flyver Christiansen, Energistyrelsen og Asger Myken, DONG.
DGC-rapport 4 2 Resume Denne rapport sammenfatter arbejdet med at indsamle og vurdere datamaterialet der ligger til grund for beregningerne af emissionsfaktorer for gasfyrede decentrale kraftvarmeanlæg < 25 MW e i Danmark. Der er hos projektets parter indsamlet tilgængelige data om emissionsmålinger for de decentrale anlæg. For biogasmotorer, naturgasmotorer og gasturbiner indgår der således samlet 494 emissionsdatasæt. De fleste af disse datasæt er for naturgasmotorer. Langt hovedparten af disse datasæt omfatter emissionsdata for NO x, CO og i mindre grad uforbrændt kulbrinte. For de øvrige emissioner som lugt (godt 100 datasæt) og formaldehyd (ca. 40 datasæt) er der en mere begrænset dækning. For de helt specielle emissioner som PAH, TSP, smøreolie, N 2 O med flere er der langt færre emissionsmålinger til rådighed. De indsamlede data er systematiseret og registreret i sammenhæng med den tilgængelige viden omkring maskinparken på de enkelte anlæg, og koblet til den af Energistyrelsen udarbejdede energiproducenttælling. Med hensyn til maskinparken er der trukket på gasselskabernes database, hvorfor denne del er næsten komplet for de naturgasfyrede anlæg. Der er således opbygget en sammenhængende database, hvor det er muligt at gruppere data efter en række parametre, fx efter røggasrensningstype, motormærke og type eller energiomsætning. På baggrund af de indsamlede data er anlæggene opdelt i mindre grupper med mere homogene emissionsdata. Ud fra disse grupper har DMU beregnet samlede emissionsfaktorer for hovedanlægstyperne: Naturgasmotorer, biogasmotorer, og gasturbiner for relevante emissionskomponenter, jævnfør delrapport 6. Ud fra de i projektet gennemførte supplerende målinger (27 emissionsdatasæt) er brugbarheden (validiteten) af de eksisterende målinger blevet verificeret for hovedemissionerne. For de mere specielle emissioner er der for få data til at foretage en sikker vurdering. Validiteten er endvidere vurderet ved, hvor det har været muligt på konkrete anlæg, at analysere tidsserier i sammenhæng med projektmålinger. Alle emissionsdata vises anonymt, således at konkrete anlæg ikke kan genkendes. Dette har været en betingelse for brug af data fra akkrediterede må-
DGC-rapport 5 lerapporter, samt for at få anlægsejerne til at give tilladelse til emissionsmålinger på deres anlæg. 2.1 Hovedresultater for naturgasmotorer Alle større naturgasmotoranlæg skal en gang om året have foretaget emissionsmåling for NO x, CO og UHC. Derfor er der for naturgasmotorerne et stort antal emissionsdatasæt til rådighed. Ved som beskrevet ovenfor at sammenholde de indsamlede emissionsmålinger med de i projektet foretagne målinger, har det været muligt at validere de eksisterende målingers brugbarhed til emissionsfaktoropgørelsen. Konklusionen er, at de eksisterende data kan bruges på lige fod med nye målinger. For såvel NO x, CO og UHC er der et solidt datagrundlag bag denne konklusion. For lugt og formaldehyd er datagrundlaget mindre, men der er ikke noget, der tyder på, at de eksisterende data ikke er valide. For de specielle emissioner er datagrundlaget for usikkert til, at der kan drages nogen konklusion vedrørende de eksisterende få datasæts validitet. Da validiteten derfor heller ikke er afvist, indgår de eksisterende data for specielle emissioner i datagrundlaget for beregningen af emissionsfaktorer. De tilgængelige tidsserier viste alle stort set konstante emissioner over tid fra anlæggene. Der sker pimært ændringer i et anlægs emission ved ombygninger, renoveringer og ved installation af røgrensningsudstyr. Den gennemgående gruppering for gasmotorerne er en opdeling efter motormærke, og for nogle mærker underopdeling på enkelte motortyper fra den enkelte producent. Ved den foretagne gruppering er der dels taget hensyn til det praktisk mulige, dels tilsigtet, at spredningen på resultaterne, inden for de enkelte grupper, skal være så lille som mulig for den betragtede emissionskomponent. Det er vist, at brug af den anvendte gruppering giver en mindre usikkerhed på de opnåede emissionsfaktorer, end en samlet betragtning for fx alle naturgasmotorer. Gasmotoranlæggene overholder generelt de miljøkrav, der stilles i dag, men det er tydeligt, at mange motoranlæg står over for nødvendige ændringer for at overholde de skærpede krav, der træder i kraft i år 2006 for NO x, CO og UHC (Bekendtgørelse 720, 1998). De kommende krav for NO x overskrides af mange motoranlæg, men det er teknisk ikke noget stort problem at redu-
DGC-rapport 6 cere NO x emissionen, hvilket formentlig klares med en tændingsjustering på det eksisterende anlæg. Prisen for NO x reduktionen vil være en lavere elvirkningsgrad. For CO er det på nogle anlægstyper nødvendigt at opsætte CO oxidationskatalysatorer. Disse er i dag kommercielt tilgængelige. Emissionen af uforbrændt kulbrinte bliver det største problem i 2006. Der er ingen nemme løsninger. De fleste motorproducenter tilbyder i dag en opgradering til motorerne, hvorefter kravene formentlig vil kunne overholdes. En anden løsning er installation af incinereringsanlæg, der giver meget lave emissioner af alle brændbare emissionskomponenter. En sådan løsning er - lige som motoropgraderingen - en stor økonomisk belastning for anlæggene. Katalytisk reduktion af UHC kan være en mulighed, men de hidtil afprøvede katalysatorer deaktiveres efter en relativ kort driftsperiode. Emissionen af uforbrændt kulbrinte fra gasmotorerne er et problem i forhold til reduktionen af udslip af drivhusgasser. Det er beregnet, at den mængde metan, der uforbrændt slipper igennem motorerne, svarer til at drivhusgasudslippet fra motorerne øges med 21% i forhold til bidraget ved fuldstændig forbrænding. UHC udslippet omregnet til CO 2 ækvivalenter kan opgøres til godt 400.000 tons årligt. Naturgasmotorer har udover emissionerne af CO, NO x og UHC betydelige emissioner af formaldehyd, lugt og smøreolie. Fra juli 2003 stilles i Luftvejledningen krav om, at nye gasmotoranlæg skal overholde en emissionsgrænse på 10 mg/m 3 for formaldehyd. Ingen motorleverandører er i stand til at levere og garantere et økonomisk rentabelt anlæg, der kan overholde den grænseværdi. Emissionen af formaldehyd fra gasmotorerne ligger en faktor 4-10 over grænseværdien. Sammen med formaldehydemissionen ses en følge af andre aldehyder og ketoner. De vigtigste af disse er acetaldehyd og acrolein. For enkeltanlæg har der været problemer med emissionen af lugt. Problemerne har dog været i aftagende de senere år, efter at rådgiverne og leverandørerne er blevet opmærksomme på problemstillingen. Lugtgenerne skyldes oftest, at skorstenen er dimensioneret for lavt i forhold til lugtemissionen og de store røggasmængder. De mindre decentrale gasmotoranlæg er ofte pla-
DGC-rapport 7 ceret i bymæssig bebyggelse, idet de har erstattet et tidligere opstillet kedelanlæg. Der er fundet store emissioner af smøreolie fra gasmotoranlæg. Mange anlæg overskrider Luftvejledningens krav for, hvornår der skal etableres rensning. Emissionen forekommer enten som små dråber (aerosoler) eller som dampe. Der har kun i få tilfælde været fokus på problemerne fra miljømyndighedernes side. God service og vedligeholdelsesstandard på motoren kan måske mindske problemerne. En revet stempelring kan give anledning til store olieemissioner. For alle øvrige målte komponenter er der tale om meget lave emissioner. Dette gælder for støv, ultra-fine partikler (se delrapport 5 udarbejdet af Risø), N 2 O, butadien, PAH, SO 2 og andre aldehyder end formaldehyd. Den energivægtede elvirkningsgrad er for naturgasmotorerne bestemt til 38.3% for fuldlastdrift. I projektet er der gennemført en indledende screening af, hvor stor indflydelse emissionerne i start og stop forløbet har på værkernes samlede emission. Der er gennemført detaljerede målinger af emissionerne af NO x, CO og uforbrændt kulbrinte på to motoranlæg. Konklusionerne er usikre på baggrund af de få målinger, men data indikerer, at emissionerne under start og stop er betydelige. Der er en forventning om, at elproduktionen på værkerne i fremtiden skal sælges på markedsvilkår. Dette kan få konsekvenser for værkernes samlede emissioner, såfremt tilpasningen til markedet vil medføre flere start og stop sekvenser. Eventuelle leverancer af regulerkraft fra de små værker vil fx have denne effekt. Det anbefales, at der gennemføres en grundigere analyse af problemstillingen, herunder at der gennemføres flere målinger. 2.2 Hovedresultater for biogasmotorer For biogasmotorerne findes der langt færre emissionsmålinger end for naturgasmotorer. Dette skyldes, at der findes langt færre større biogasmotoranlæg, og at disse ikke er underlagt de samme årlige dokumentationskrav som naturgasmotorerne er.
DGC-rapport 8 I forhold til naturgasmotorerne kan biogasmotorernes emission karakteriseres ved, at der er en højere NO x emission. Emissionen ligger 3.2 gange over den for naturgasmotorer. Forskellen er formentlig forårsaget af, at der ikke stilles krav til biogasmotorer, og at biogasmotorer generelt er mindre end naturgasmotorer. Ligeledes har biogasmotorer en CO emission, der er ca. 50% større end naturgasmotorernes. Emissionen af uforbrændt kulbrinte ligger for biogasmotorerne på ca. det halve af det observerede for naturgasmotorer. For biogasmotorerne er det formentlig det manglende krav for NO x, der giver det lave emissionniveau for uforbrændt. Såfremt motorerne skal justeres (tænding og karburering) til en lavere NO x emission, vil det formentlig give lavere virkningsgrad og højere emission af uforbrændt kulbrinte. Bortset fra SO 2 niveauet er alle de øvrige emissioner fra biogasmotorer det samme som for naturgasmotorer. Der er små brændselsbegrundede afvigelser, primært en anden fordeling af UHC på metan og NMVOC (non-metane volatile organic compounds) og få øvrige aldehyder udover formaldehyd. Biogasmotorer har på grund af biogassens indhold af svovl en højere emission af SO 2. På grund af det langt færre antal målinger på biogasanlæggene, har det ikke været muligt at validere de eksisterende måleserier. Der er dog observeret en god overensstemmelse mellem de eksisterende målinger og de i projektet foretagne målinger. For biogasmotorerne er der fundet en energivægtet elvirkningsgrad på 36.0% ved fuldlastdrift.
DGC-rapport 9 2.3 Hovedresultater for gasturbiner Der findes i forhold til naturgasmotorerne færre målinger på gasturbineanlæggene, hvilket skyldes, at der er færre, men større anlæg. Ud fra energimængderne er der målinger på en stor del af den i år 2000 benyttede brændselsmængde. For gasturbinerne i Danmark er det påvist, at der kun er betydelig emission fra en komponent, nemlig NO x. Emissionsfaktoren for NO x er mindre end den for naturgasmotorer. Turbineanlæggene overholder de i dag gældende regler, men vil ligesom naturgasmotorerne have problemer med at overholde de stramninger, der træder i kraft fra år 2006. Flere turbineanlæg skal enten have installeret lav-no x brændere eller have installeret NO x reduktionsudstyr. Begge løsninger er dyre, og turbineejerne overvejer i øjeblikket, hvad der er mest rentabelt. I nogle tilfælde kan det være at stoppe driften. For alle andre emissionskomponenter er der kun lave niveauer. For lattergas dog lidt over hvad der er set for naturgasmotorer. Den energivægtede elvirkningsgrad for turbineanlæg mindre end 25 MWe er bestemt til 28.8% ved fuldlast. 2.4 Emissionsfaktorer Med udgangspunkt i de i projektet indsamlede data har DMU (delrapport 6) beregnet emissionsfaktorer for gasfyrede anlæg for år 2000. Resultaterne gengives nedenfor. Emission Naturgasmotorer Biogasmotorer Gasturbiner g/gj mg/m 3 @5%O 2 g/gj mg/m 3 @5%O 2 g/gj mg/m 3 @5%O 2 NO x 168 539 540 1817 124 398 UHC (C) 485 1555 254 855 <2.3 <7 - CH 4 520 1667 323 1087 <1.5 <5 - NMVOC 117 374 14 48 <1.4 <5 CO 175 561 >273 920 6 20 N 2 O 1.3 4.1 0.5 1.7 2.2 7 TSP 0.76 2.4 2.63 8.8 0.1 0.3 Formaldehyd 24 77 21 71 0.01 0.03 Smøreolie 12 39 - - - - Lugt 8229 LE/m 3 18516 LE/m 3 2027 LE/m 3 SO 2 - - 19 65 - -
DGC-rapport 10 3 Afgrænsning og metode Nærværende delrapport omhandler alene decentrale kraftvarmeanlæg fyret med gasformigt brændsel (naturgas, gyllebiogas, deponigas og rådnegas fra rensningsanlæg) samt emissioner fra disse anlæg. Der undersøges kun anlæg med en elektrisk effekt mindre end eller lig med 25 MW. Der gennemføres dog efter følgegruppens ønske for større gasturbiners vedkommende en sammenligning af NO x emissionen for anlæg over denne effektgrænse. Der er taget udgangspunkt i Energistyrelsens energiproducentopgørelse for år 2000, der venligst er tilgået projektet fra Energistyrelsen.
DGC-rapport 11 4 Karakterisering af det gennemførte måleprogram 4.1 Planlagt måleprogram Måleprogrammet er planlagt af Danmarks Miljøundersøgelser (DMU) på baggrund af den karakterisering, der tidligere i delrapport 2 er gennemført af den installerede anlægsmasse samt på baggrund af oplysninger fra Dansk Gastekniks Center om tilgængelige eksisterende emissionsdata på de enkelte anlæg. DMU har i denne proces alene haft adgang til eksistensen af data, men ikke de faktuelle værdier. På det gasfyrede område er måleprogrammet således planlagt ud fra en næsten fuldkommen beskrivelse af anlæggene samt viden om 317 emissionsmålinger gennemført i perioden 1999-2001. Endvidere indgår 166 ældre emissiondatasæt. Det af DMU planlagte måleprogram er angivet i Tabel 1 og 2 for de enkelte anlægstyper. Tabel 1: Planlagt måleprogram for naturgas- og biogasgasmotoranlæg Brændsel Motormærke Type Emissionsmåling Naturgas Bergen KVGS 16G Udvidet Naturgas Bergen KVGS 18G Normal Naturgas Caterpillar 3500 Normal Naturgas Caterpillar 3600 Udvidet Naturgas Frichs mini 90 Normal Naturgas Jenbacher JMS 316 Udvidet Naturgas Jenbacher JMS 616 Normal Naturgas MAN B&W 28/32 SI Normal Naturgas Niigata 26HX-G Normal Naturgas Waukesha L5790 Normal Naturgas Wärtsilä 18GD Normal Naturgas Wärtsilä 25SG Normal Naturgas Wärtsilä 34SG Normal Gyllegas Caterpillar 3500 Normal Gyllegas Jenbacher 316 Udvidet Gyllegas Lille motor, fx. Frichs - Normal Lossepladsgas Typisk motor I - Normal Lossepladsgas Typisk motor II - Normal Slamgas Typisk motor I - Normal Slamgas Typisk motor II - Normal
DGC-rapport 12 Tabel 2 Planlagt måleprogram for gasturbiner Turbinemærke Bemærkning Emissionsmåling EGT Tornado Ældre brænder Udvidet EGT Typhoon Low NO x brænder Udvidet EGT Tornado Low NO x brænder Normal EGT Typhoon Ældre brænder Normal Allison CX 501 Evt. Solar Mars Normal ABB GT35C Evt. Solar Mars Normal 4.2 Afvigelser Det planlagte måleprogram er som helhed gennemført, dog er der af praktiske årsager sket et par mindre justeringer. Der er foretaget i alt 27 måleserier mod planlagt 26. Resultaterne er rapporteret i separate målerapporter navngivet fra #1 til #27. Endvidere er der yderligere foretaget målinger af emissioner i start stop situationer for to naturgasmotoranlæg. De anlæg, der er målt på, svarer stort set overens med de anlægstyper, som DMU anbefalede. De enkelte anlægstyper gennemgås i detaljer nedenfor. Målingerne i start og stop perioderne er foretaget for at gøre det muligt at vurdere, hvilken betydning den højere emission ved start og stop perioderne har for den samlede emission fra anlæggene. Der er gået enkelte emissionsmålinger tabt undervejs. To ødelagte filter har betydet mistede olieemissionsmålinger på to anlæg, og på grund af driftsproblemer med en gasturbine er en PAH måling på et gasturbineanlæg blevet opgivet. 4.3 Motoranlæg med naturgas På gasmotorer, der benytter naturgas, er der gennemført målinger på de i Tabel 3 viste anlæg. Målingerne afviger fra de af DMU anbefalede kun ved små ændringer i motortyperne. Der er således gennemført målinger på de forventede motormærker, og afvigelserne ved typerne er små, typisk et andet cylindertal end foreslået af DMU. For et enkelt motormærke, Waukesha, er typen dog ændret fra L5790 til en helt anden type, nemlig AT25GL.
DGC-rapport 13 Tabel 3: Karakteristika for de målte naturgasmotoranlæg. Anlæg # Motormærke Motor type Måletype #1 Bergen KVGS 12G Speciel #3 Frichs Mini Normal #6 Jenbacher J-316-GS Normal #7 Caterpillar 3616 Speciel #8 Jenbacher JW320 Speciel #11 MAN B&W 28/32SI Normal #12 Jenbacher J620-GSE2 Normal #13 Wärtsilä 34SG Normal #16 Bergen KVGS 18G Normal #17 Niigata 16V26 HX-G Normal #19 Waukesha AT25GL Normal #20 Wärtsilä 16V25-SG Normal #23 Kendt type, dual fuel Normal #26 Caterpillar 3516 Normal Måletypen refererer til, om der er gennemført en normal emissionsmåling med NO x, CO, UHC, aldehyder og lugt eller, om der gennemført en udvidet måling med fx partikler, PAH, butadien og lattergas. Anlægsnummeret refererer til målerapporten for det enkelte anlæg. 4.4 Motoranlæg med anden gas På gasmotorer, der benytter biogas (gyllebiogas, deponigas, og rådnegas fra rensningsanlæg), er der gennemført målinger på de i Tabel 4 viste anlæg: Tabel 4: Karakteristika for de målte biogasmotoranlæg. Anlæg # Motormærke Motor type Biogastype Måletype #4 Fiat Totem Gyllegas Normal #5 Jenbacher JW-316-GS Gyllegas Speciel #18 Caterpillar 3512 Gyllegas Normal #21 MAN E2842 Rådnegas Normal (Rensningsanlæg) #22 Caterpillar 3406 Deponigas Normal #24 Jenbacher J316 Deponigas Normal #25 Fiat Totem Rådnegas (Rensningsanlæg) Normal Som ovenfor refererer måletypen til, om der er gennemført en normal emissionsmåling med NO x, CO, UHC, aldehyder og lugt eller, om der gennemført en udvidet måling med fx partikler, PAH, butadien og lattergas. Anlægsnummeret refererer til målerapporten for det enkelte anlæg. Måleprogrammet er i overensstemmelse med det af DMU ønskede.
DGC-rapport 14 4.5 Gasturbineanlæg med naturgas På gasturbiner, der benytter naturgas, er der gennemført målinger på de i Tabel 5 viste anlæg: Tabel 5: Karakteristika for de målte gasturbineanlæg. Anlæg # Turbinemærke Turbine type Måletype #2 EGT Typhoon Speciel #9 Allison 501 Normal #10 AGT (EGT) Tornado Speciel #14 EGT Tornado Normal #15 Alstom (ABB) GT35C2 Normal #27 EGT Typhoon Normal Som ovenfor refererer måletypen til, om der er gennemført en normal emissionsmåling med NO x, CO, UHC, aldehyder og lugt eller, om der gennemført en udvidet måling med fx partikler, PAH, butadien og lattergas. Anlægsnummeret refererer til målerapporten for det enkelte anlæg. Måleprogrammet er med hensyn til ønske om turbinemærke og type gennemført helt, som ønsket. Ønsket om Low-NO x brændertype på to af EGT turbinerne er søgt imødekommet ved at vælge to nyere anlæg og to ældre anlæg.
DGC-rapport 15 5 Resultater af måleprogrammet 5.1 Emissioner fra naturgasmotorer Der indgår i den her gennemførte analyse 274 emissionsdatasæt fra naturgasmotorer fra årene 1999-2001 samt de i dette projekt gennemførte 13 målinger. Endvidere indgår der 142 ældre datasæt fra perioden 1990-1998. Dette er især en støtte for analysen ved sporkomponenterne, hvor datamaterialet ikke er så omfattende. Totalt indgår der således 429 emisionsdatasæt. 5.1.1 NO x De opnåede nye resultater for NO x emissionen fremgår af Bilag A for de enkelte anlæg. Der er generelt ikke fundet store afvigelser i forhold til tidligere fundne data for naturgasmotoranlæg. For de enkelte motormærker og typer følger emissionerne det billede, der hidtil er vist i Delrapport 2, hvor emissionerne er karakteristiske for de enkelte motormærker og typer. Figur 1 og 2 viser eksempler herpå for de vigtigste naturgasmotormærker. 1200 1000 Nye data Eksisterende data NOx mg/m 3 n, ved 5%O2 800 600 400 200 0 Caterpillar 35xx Caterpillar 36xx Deutz MWM 604 Deutz MWM 620 Figur 1: NO x emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype.
DGC-rapport 16 1200 1000 Nye data Eksisterende data NOx mg/m 3 n, ved 5%O 2 800 600 400 200 0 Jenbacher 3xx Jenbacher 6xx Ulstein Bergen Wärtsilä 25SG Wärtsilä 34SG Figur 2: NO x emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype. Generelt er der for alle de større motormærker og typer fundet en god overensstemmelse mellem eksisterende data og de nye målinger. For de lidt mindre anvendte motortyper (Figur 3) er der for Niigata motorer bekræftet en meget konstant NO x emission med en lille spredning. For de øvrige motorer ses en meget stor variation imellem de enkelte anlæg, ligesom der er enkelte anlæg med meget høje NO x emissioner, op til næsten 10.000 mg/m 3 n på de små Frichs motorer. Data for NO x emissionen fra anlæggene er yderligere statistisk bearbejdet, resultaterne heraf ses i Tabel 6. Der er meget store standardafvigelser i datamaterialet inden for de enkelte motormærker. På baggrund af data er det muligt til den senere emissionsfaktoropgørelse at sammensætte homogene undergrupper, hvorfra de samlede emissionsfaktorer kan beregnes. Ligeledes er det muligt at sortere anlæg med katalysatorer fra. Der findes ganske få gasmotoranlæg med NO x reduktion. De findes i forbindelse med anvendelse af røggassen til CO 2 gødskning af væksthuse. Datamaterialet for katalysatorer er endnu ufuldstændigt, der mangler, trods adskillige rykkere, ved projektets afslutning stadig oplysninger fra en af de betydelige motorleverandører.
DGC-rapport 17 10000 Nye data Eksisterende data NOx mg/m 3 n, ved 5%O 2 1000 100 10 Frichs Köhler&Ziegler MAN MAN B&W Niigata Waukesha Figur 3: NO x emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af lidt mindre typiske motortyper, bemærk logskala. Tabel 6: NO x fra naturgasmotoranlæg. Fabrikat Type Middel Maks Min Stdafv Antal NOx mg/m 3 n 5%O 2 Caterpillar 35xx 381.9 897 34 225.6 46 Caterpillar 36xx 269.4 503 136 77.0 56 Caterpillar Øvrige 447.7 500 371 67.9 3 Deutz MWM 604 543.2 1078 220 184.1 40 Deutz MWM 620 754.7 1133 506 116.0 26 Deutz MWM Øvrige 2175.5 6243 91 2588.3 8 Frichs Alle 4531.0 9735 46 4531.7 6 Jenbacher 3xx 560.3 847 61 193.4 18 Jenbacher 6xx 550.0 999 64 264.8 8 Köhler&Ziegler Alle 254.5 497 26 232.9 6 MAN Alle 462.8 715 261 188.2 4 MAN B&W Alle 421.2 663 35 293.5 5 Niigata Alle 301.9 331 271 22.7 7 Ulstein Bergen Alle 732.5 927 444 98.2 91 Wärtsilä 25SG 512.8 771 242 138.8 30 Wärtsilä 34SG 380.3 671 200 119.0 20 Wärtsilä Øvrige 548.5 1560 294 313.1 14 Waukesha Alle 248.5 441 165 100.5 6 Øvrige Alle 5406.0 9578 646 3755.9 7 Alle Alle 695.0 9735 26 1149.3 401
DGC-rapport 18 5.1.2 CO I forhold til NO x emissionen er der for CO emissionen fra de naturgasfyrede gasmotoranlæg betydelig mindre spredning for anlæggene som helhed. Dette skyldes primært, at der ikke findes anlæg med meget høje CO emissioner. Ved yderligere gruppeopdeling i anlæg med og uden katalysator vil der kunne opnås endnu mindre spredning på grupperne. Dette ses tydeligt i Figur 4, hvor såvel Caterpillar 35xx serien og 36xx serien deles i to grupper. Den lave gruppe svarer til emissionsmålinger på anlæg, der har installeret katalysator, og den højere liggende gruppe til dem uden CO oxidationskatalysator. På tilsvarende vis kan der for de øvrige motortyper sorteres nogle af de lavere liggende emissioner fra til en gruppe med katalysatorer. Der er ligesom for NO x fundet en god overensstemmelse mellem eksisterende emissionsdata og nye målinger for alle de vigtigste motorfabrikater. For de mindre fabrikater er der dels færre målinger, dels en tendens til at de nye målinger afviger lidt fra de tidligere gennemførte målinger. For Niigata og Waukesha ligger de nye målinger lidt over de tidligere resultater, og for Frichs lidt under. For MAN B&W motoranlægget er den nye måling foretaget på et anlæg på et gartneri forsynet med CO oxidationskatalysator. Det bemærkes, at nogle motoranlæg i Tabel 7 står angivet til en CO emission på 0 mg/m 3 n ved 5% O 2. Det drejer sig om i alt 8 emissionsmålinger på anlæg, hvor CO emissionen var mindre end detektionsgrænsen, dvs. mindre end 5-10 mg/m 3 n ved 5% O 2. Fejlen på den samlede CO emission vil være meget lille.
DGC-rapport 19 1200 1000 Nye data Eksisterende data CO mg/m 3 n, ved 5%O2 800 600 400 200 0 Caterpillar 35xx Caterpillar 36xx Deutz MWM 604 Deutz MWM 620 Figur 4: CO emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype. 1200 1000 Nye data Eksisterende data CO mg/m 3 n, ved 5%O 2 800 600 400 200 0 Jenbacher 3xx Jenbacher 6xx Ulstein Bergen Wärtsilä 25SG Wärtsilä 34SG Figur 5: CO emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype.
DGC-rapport 20 1400 1200 Nye data Eksisterende data CO mg/m 3 n, ved 5%O2 1000 800 600 400 200 0 Frichs Köhler&Ziegler MAN MAN B&W Niigata Waukesha Figur 6: CO emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype. Tabel 7: CO fra naturgasmotoranlæg. Fabrikat Type Middel Maks Min Stdafv Antal CO mg/m 3 n 5%O 2 Caterpillar 35xx 242.6 765 0 237.7 47 Caterpillar 36xx 513.4 960 89 342.1 56 Caterpillar Øvrige 132.7 139 127 6.0 3 Deutz MWM 604 571.2 641 466 50.5 39 Deutz MWM 620 717.3 821 447 81.7 26 Deutz MWM Øvrige 398.6 631 69 202.7 9 Frichs Alle 547.5 1340 68 479.9 6 Jenbacher 3xx 461.3 895 10 284.7 18 Jenbacher 6xx 496.3 948 0 413.4 8 Köhler&Ziegler Alle 157.3 593 33 217.4 6 MAN Alle 505.5 560 400 75.0 4 MAN B&W Alle 236.2 428 11 153.5 5 Niigata Alle 393.1 646 235 152.1 7 Ulstein Bergen Alle 719.5 969 53 147.9 92 Wärtsilä 25SG 794.2 1035 469 94.8 30 Wärtsilä 34SG 390.6 854 37 297.0 20 Wärtsilä Øvrige 533.1 890 106 301.9 14 Waukesha Alle 697.3 896 158 271.7 6 Øvrige Alle 645.3 1470 362 387.0 7 Alle Alle 549.7 1470 0 287.0 403
DGC-rapport 21 5.1.3 Uforbrændt kulbrinte (UHC) Datamaterialet for UHC emissionerne er ikke så stort som for NO x og CO. Der er normalt ikke rapporteret UHC emissioner, før der efter bekendtgørelse Nr. 720 1998 blev stillet krav herom. Derfor indgår der i datamaterialet i alt 246 emissionsmålinger for UHC fra motoranlæg fyret med naturgas (Tabel 8). For CO og NO x er der godt 400 datasæt til rådighed. Emissionsdata for UHC ligger generelt på et højt niveau 500-3000 mg C/m 3 n ved 5% O 2. Der er en tydelig gruppering af emissionen for de enkelte motorfabrikater og typer. Middelværdien for de enkelte grupper varierer fra 500 til 2800 mg/m 3 n ved 5% O 2, og spredningen inden for grupperne er typisk 220-440 mg/m 3 n ved 5% O 2. Der findes nogle få datasæt, som falder uden for de normale niveauer for tilsvarende anlæg. En Caterpillar 36xx motor ligger meget lavt på en enkelt måling. Der foreligger i alt 5 emissionsdatasæt på denne motor. De 4 ligger på et normalt niveau for motortypen. Målingen er blevet gentaget 3 uger efter den afvigende måling, og der ligger anlægget på normalt niveau. Et andet anlæg, der tydeligt skiller sig ud, er en Ulstein Bergen motor med en UHC emission på henholdsvis 7, 10 og 28 mg C/m 3 n ved 5% O 2 over perioden 1999 til 2001. Anlægget er så vidt vides det eneste, der har investeret i et incinereringsanlæg, der i praksis afbrænder næsten alle brandbare komponenter i røggassen. Tabel 8: UHC emission fra naturgasmotoranlæg. Fabrikat Type Middel Maks Min Stdafv Antal UHC mg C/m 3 n 5%O 2 Caterpillar 35xx 1340.3 2140 801 314.4 31 Caterpillar 36xx 1972.0 2619 662 418.1 28 Caterpillar Øvrige 1500.0 1545 1471 39.5 3 Deutz MWM 604 525.2 1225 314 169.0 29 Deutz MWM 620 554.1 774 250 162.9 14 Jenbacher 3xx 787.1 1095 530 220.3 11 Jenbacher 6xx 1663.8 2102 1450 208.8 8 Köhler&Ziegler Alle 427.2 658 185 224.0 5 MAN B&W Alle 2453.8 3310 1889 521.8 5 Niigata Alle 2883.8 3000 2776 105.4 5 Ulstein Bergen Alle 2145.9 2651 7 557.6 58 Wärtsilä 25SG 1458.5 2500 975 444.0 17 Wärtsilä 34SG 1551.4 2228 790 420.2 15 Wärtsilä Øvrige 1358.7 1847 294 439.0 9 Waukesha Alle 1926.2 2220 1671 208.3 5 Øvrige Alle 626.0 1340 242 618.9 3 Alle Alle 1509.4 3310 7 748.3 246
DGC-rapport 22 3000 2500 Nye data Eksisterende data UHC mg C/m 3 n, ved 5%O2 2000 1500 1000 500 0 Caterpillar 35xx Caterpillar 36xx Deutz MWM 604 Deutz MWM 620 Figur 7: UHC emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype. 3000 2500 Nye data Eksisterende data UHC mg C/m 3 n, ved 5%O 2 2000 1500 1000 500 0 Jenbacher 3xx Jenbacher 6xx Ulstein Bergen Wärtsilä 25SG Wärtsilä 34SG Figur 8: UHC emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype.
DGC-rapport 23 3500 3000 Nye data Eksisterende data UHC mg C/m 3 n, ved 5%O2 2500 2000 1500 1000 500 0 Köhler&Ziegler MAN B&W Niigata Waukesha Øvrige Figur 9: UHC emission fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motortype. De i projektet foretagne målinger ligger tydeligt inden for de forventede niveauer i forhold til de eksisterende målinger for de enkelte fabrikater og motortyper. 5.1.4 Sammensætningen af UHC Der er udtaget prøver til gaskromatografisk analyse af sammensætningen af uforbrændt kulbrinte. Der er foretaget en sammenligning af de to målemetoder, den normalt anvendte kontinuerte FID metode, og analysen på gaskromatograf af udtagne prøver. Sammenligningen, der vises i Figur 10, inkluderer målinger for naturgasmotorer og -turbiner samt for biogasmotorer. Der er opnået en god overensstemmelse for alle datasæt ved sammenligning af UHC emissionen opgjort som ppm CH 4 ækvivalenter ved aktuel O 2 i røggassen.
DGC-rapport 24 5000 4500 GC-analyse, ppm CH 4 eq. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 FID måler, ppm CH 4 eq. Figur 10: Sammenhæng imellem aktuel CH 4 ækvivalenter målt med henholdsvis kontinuert FID detektor og ved GC analyse på udtagne røggasprøver. For naturgasmotorerne er der fundet en gennemsnitlig fordeling af emissionen af uforbrændte kulbrinter i røggassen, Tabel 9. Som det ses af de relative sammensætninger for henholdsvis UHC i røggassen og sammensætningen af naturgas, så ligger sammensætningen for emissionen af uforbrændte kulbrinter for naturgasmotorer tæt op ad sammensætningen for naturgas. Den mest markante forskel er, at røggassen indeholder nogle umættede kulbrinter, primært eten og propen. Man ved fra detaljerede analyser foretaget for gartnerier i forbindelse med brug af røggas i drivhusene, at den ubehandlede røggas også indeholder små mængder etylen. Der er endvidere en tendens til et mindre indhold af de tungere kulbrinter, set i forhold til naturgassens sammensætning. Det er velkendt fra forbrændingslitteraturen, at oxidationen af tungere kulbrinter har en lavere aktiveringsenergi, hvorfor de tungere kulbrinter lettere helt eller delvist bliver forbrændt. Ved beregninger af metan- og non-metan (NMVOC) emissionsfaktorer fra danske kraftvarmeværker er det nødvendigt først at omsætte emissionerne fra den målte enhed mg C/m 3 n ved 5% O 2 til emissionsfaktorer i enheden
DGC-rapport 25 Tabel 9: Gennemsnitlig fordeling af kulbrinter i røggas fra gasmotorer der bruger naturgas, angivet som CH 4 ækvivalenter. Til sammenligning er angivet den relative sammensætning for røggas og for naturgas. Komponent FID CH 4 ækvivalenter i gasmotorrøggas Relativ FID CH 4 ækvivalenter i gasmotorrøggas Relativ FID CH 4 ækvivalenter i naturgas Metan 1380.1 0.804 0.771 Eten 31.2 0.020 0.000 Etan 174.9 0.098 0.114 Propen 7.5 0.004 0.000 Propan 88.8 0.050 0.071 i-butan 14.6 0.007 0.013 n-butan 21.9 0.013 0.020 Øvrig C 4 3.6 0.002 0.000 i-pentan 2.8 0.001 0.005 n-pentan 2.3 0.001 0.004 C 6 + 0.0 0.000 0.003 Total 1727.7 1.000 1.000 g C/GJ indfyret. Efterfølgende omsætning til metan og NMVOC vil afhænge af kulbrintesammensætningen. For naturgasmotorer findes de nedenfor angivne sammenhænge for henholdsvis UHC(C), metan og NMVOC. En naturgasmotor har en ved måling bestemt UHC(C) emission angivet i g/gj, dette kan så omsættes til metan og NMVOC som følger: CH 16 ( g / GJ ) = UHC ( C) ( g / GJ ) 0.804 12 4 NMVOC ( g / GJ ) = UHC ( C) ( g / GJ) (1 0.804) 1.228 Omsætningsfaktoren er forholdsvis sikkert bestemt, idet spredningen på metan FID andelen på 0.804 kun udgør 0.047 i de gennemførte analyser. Dette svarer til en relativ spredning på 5.8%. Se endvidere bemærkning i afsnit 5.1.13. Ved at benytte ovenstående emissionsdata har DMU beregnet emissionsfaktoren for danske gasmotorer til 520 g CH 4 /GJ indfyret. Med en CO 2 ækvivalensfaktor på 23 (IPCC, 100 års tidshorisont), og en emissionsfaktor på 57
DGC-rapport 26 kg CO 2 /GJ naturgas, kan det beregnes at drivhusgaspotentialet på grund af gasmotorernes emission af uforbrændt kulbrinte øges med 21% i forhold til bidraget ved fuldstændig forbrænding. Med et årligt naturgasforbrug på 34700 TJ udgør emissionen af metan således 18044 tons CH 4 eller 415000 tons CO 2 ækvivalenter årligt. Dette er et betydeligt bidrag i forhold til et dansk reduktionsmål (Kyoto) på 25 mio. ton CO 2.
DGC-rapport 27 5.1.5 Aldehyder og ketoner Den vigtigste emission inden for gruppen af aldehyder og ketoner er formaldehyd. Der er tidligere set betydelige emissioner af formaldehyd fra gasmotoranlæg. Stofgruppen aldehyder og ketoner dækker udover formaldehyd, også acetaldehyd, acrolein, propanal, acetone, butanal, pentanal, hexanal og benzaldehyd. Der foreligger nu (inklusiv projektetmålinger) 41 emissionsdatasæt for formaldehyd fra naturgasfyrede gasmotoranlæg. For de øvrige emissionskomponenter foreligger der færre målinger. Figur 11 viser alle til rådighed værende værdier for formaldehydemissionen sorteret efter motorfabrikat. Der er en betydelig variation inden for de enkelte fabrikater. Emissionen varierer fra 0 til 197 mg/m 3 n ved 5% O 2 (se Tabel 10). Som det fremgår af Figur 12, skyldes de meget lave emissioner observeret på nogle anlæg primært, at der er to reduktionsmetoder, der er effektive over for formaldehyd. Formaldehyd mg/m 3 n, 5% O2 250 200 150 100 50 Projekt data Eksisterende data 0 Ulstein Bergen Caterpillar FORD Frichs Jenbacher MAN B&W Deutz MWM Niigata Wärtsila Waukesha Figur 11: Emission af formaldehyd fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motorfabrikat.
DGC-rapport 28 Tabel 10: Formaldehydemission fra gasmotoranlæg. Formaldehyd mg/m 3 n 5% O 2 Middel Maks Min Stdafv Antal Bergen 63.08 149.39 3.95 49.71 10 Caterpillar 58.25 119.04 1.40 47.85 8 Deutz MWM 63.70 72.59 55.60 6.96 3 Jenbacher 47.11 65.59 2.30 21.94 6 Wärtsilä 98.08 197.54 5.40 70.43 7 Øvrige 66.07 126.77 0.00 48.91 6 Alle 66.34 197.54 0.00 51.25 41 Den ene metode er det tidligere nævnte incinereringsanlæg (IC), og den anden er katalysatoranlæg på gartnerierne, der anvender røggas til CO 2 gødskning i væksthuse. Det bemærkes, at normale oxidationskatalysatorer, der benyttes til CO oxidation ikke har nogen effekt på formaldehydemissionen. Der er ved disse oxidationskatalysatorer observeret såvel små reduktioner som små stigninger i formaldehydemissionen. Grupperingen til emissionsfaktoropgørelsen må således tages mellem anlæg med og uden formaldehydeffektive rensningsmetoder. Der kan eventuelt også skelnes mellem åben- og forkammermotorer, idet forkammermotorerne generelt ligger med højere emission og større spredning. Formaldehyd mg/m 3 n 5% O 2 250 200 150 100 50 Forkammer Åbenkammer 0 Gartner katalysator eller IC anlæg Med og uden CO oxidations katalysator Figur 12: Emission af formaldehyd fra gasmotoranlæg med og uden rensningsanlæg.
DGC-rapport 29 Acetaldehyd mg/m 3 n, 5% O2 14 12 10 8 6 4 2 Projekt data Eksisterende data 0 Ulstein Bergen Caterpillar FORD Frichs Jenbacher MAN B&W Deutz MWM Niigata Wärtsila Waukesha Figur 13: Emission af acetaldehyd fra gasmotoranlæg der benytter naturgas, afhængig af motorfabrikat. 14 12 Acetaldehyd mg/m 3 n 5% O 2 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 Formaldehyd mg/m 3 n 5% O 2 Figur 14: Emission af formaldehyd og acetaldehyd korrelerer for gasmotoranlæg der benytter naturgas. Linie forklares i teksten.
DGC-rapport 30 Som det ses af ovenstående Figur 13, forekommer acetaldehyd i betydeligt lavere emissioner end formaldehyd. Figuren viser endvidere, at der fortsat er stor spredning mellem de enkelte motorfabrikater. Der er observeret emissioner op til 12.8 mg/m 3 n ved 5% O 2. Tabel 11 opsummerer situationen for de enkelte motorfabrikater. Acetaldehydemissionen korrelerer med emissionen af formaldehyd. Den i Figur 14 viste linie svarer til det teoretiske forhold mellem formaldehyd og acetaldehyd, hvis forholdet mellem methan og ethan i naturgassen alene ville være afgørende. Som det ses af Figur 13, ligger de fleste acetaldehydemissioner under denne linie. Dette skyldes formentlig, dels at acetaldehyd lettere oxideres, dels at opsamlingsmetoden for aldehyder og ketoner gradvist bliver mindre effektiv når molekylerne bliver større. Opsamlingseffektiviteten ved den anvendte opsamlingsmetode har tidligere vist sig at være 98-100% for formaldehyd og lavere for de tungere aldehyder og ketoner. Tabel 12 viser effektiviteten fra en DGC undersøgelse i 1997. Som det fremgår af Figur 15, er det igen afgørende for den nødvendige gruppering til emissionsfaktoropgørelsen, at der anvendes grupper af motoranlæg med og uden effektive rensningsanlæg. Der er, som for formaldehyd også forskel mellem åben- og forkammermotorer. Tabel 11: Acetaldehydemission fra gasmotoranlæg med naturgas. Acetaldehyd mg/m 3 n 5% O 2 Middel Maks Min Stdafv Antal Bergen 9.50 12.80 6.60 2.72 4 Caterpillar 5.91 11.48 0.20 4.09 6 Deutz MWM 5.04 5.31 4.87 0.24 3 Jenbacher 2.20 3.60 0.00 1.64 4 Wärtsilä 6.01 12.77 0.30 5.33 5 Øvrige 4.38 9.60 0.00 3.81 6 Alle 5.49 12.80 0.00 3.94 28 Tabel 12: Test af opsamlingsmetode for aldehyder og ketoner, DGC 1997. Test Formaldehyd Acetaldehyd Acrolein Propanal Butanal Acetone 1 1.00 0.97 0.95 0.90 0.95 0.88 2 1.00 0.95 0.91 0.83 0.91 0.82 3 0.98 0.86 0.86 0.81 0.86 0.79 4 0.99 0.87 0.75 0.64 0.89 0.79
DGC-rapport 31 14 12 Forkammer Åbenkammer Acetaldehyd mg/m 3 n 5% O2 10 8 6 4 2 0 Gartner katalysator eller IC anlæg Med og uden CO oxidations katalysator Figur 15: Emission af acetaldehyd fra gasmotoranlæg der benytter naturgas med og uden aldehydeffektive rensningsanlæg. Acrolein mg/m 3 n, 5% O2 2.5 2 1.5 1 0.5 Projekt data Eksisterende data 0 Ulstein Bergen Caterpillar FORD Frichs Jenbacher MAN B&W Deutz MWM Niigata Wärtsila Waukesha Figur 16: Emission af acrolein fra gasmotoranlæg der benytter naturgas.
DGC-rapport 32 3 2.5 Acetone mg/m 3 n 5% O2 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 Formaldehyd mg/m 3 n 5% O 2 Figur 17: Emission af acetone fra gasmotoranlæg der benytter naturgas som funktion af emissionen af formaldehyd. Figur 16 og Figur 17 giver eksempler på emissionerne af de øvrige aldehyder og ketoner. Tabel 13 opsummerer emissionerne for anlæg med og uden effektive rensningsmetoder. Generelt bliver der mindre og mindre emission, som vi bevæger os gennem analyserækken fra formaldehyd mod benzaldehyd. Der er fortsat stor spredning mellem resultaterne, og fortsat forskel på anlæg med og uden effektive rensningsmetoder. Tabel 13: Gennemsnitlige emissioner af aldehyder og ketoner for motoranlæg der benytter naturgas. Reduktion Ikke reduktion Middelværdier mg/m 3 n, 5%O 2 Formaldehyd 4.42 84.32 Acetaldehyd 0.07 6.14 Acrolein 0.00* 0.36 Propanal 0.00* 0.55 Acetone 0.00* 0.86 Butanal 0.00* 0.36 Pentanal 0.00* 0.61 Hexanal 0.00* 0.09 Benzaldehyd 0.00* 0.12 *Under detektionsgrænsen (<0.01 mg/m 3 n) for alle foretagne analyser.
DGC-rapport 33 5.1.6 Lugtemission Emission af lugt måles i enheden lugtenheder (LE). Koncentrationen af lugt (LE/m 3 røggas) bestemmes af et panel, der bliver præsenteret for fortyndede røggasprøver. Antallet af LE/m 3 bliver bestemt som den fortyndingsgrad af røggassen, hvor panelet i gennemsnit netop kan lugte forskel på prøven og frisk luft. Der er normalt store usikkerheder forbundet med lugtmåling, dels på grund af usikkerheden ved prøvetagningen, vurderet til ±20%, dels på grund af usikkerheden ved selve panelmetoden. Generelt forventes resultaterne samlet at være inden for en faktor 2 i afvigelser imellem ellers identiske prøver fra samme anlæg. Der er i kortlægningsprojektet gennemført lugtanalyser for alle besøgte anlæg. Endvidere er der tidlige foretaget et betydeligt antal lugtanalyser, hvorfor det samlede datagrundlag på naturgasmotoranlæg udgør 104 analyser fordelt på 35 forskellige anlæg. Fordelingen af lugtemission på de enkelte motormærker er vist på Figur 18: 14000 12000 10000 LE/m 3 8000 6000 4000 2000 0 Bergen Caterpillar Ford Frichs Jenbacher MAN MAN B&W MWM Niigata Wärtsilä Waukesha Figur 18: Emission af lugt fra gasmotoranlæg der benytter naturgas som brændsel. Emissionen er opdelt efter motormærke.
DGC-rapport 34 14000 12000 Forkammermotorer Åben kammer motorer 10000 LE/m 3 8000 6000 4000 2000 0 Alle mærker Bergen Caterpillar Ford Frichs Jenbacher MAN MAN B&W MWM Niigata Wärtsilä Waukesha Figur 19: Emission af lugt fra gasmotoranlæg der benytter naturgas som brændsel opdelt efter motormærke og yderligere opdelt efter motortype med hensyn til tændingssystem. Det er vigtigt under vurderingen og brugen af datamaterialet at tage hensyn til de store variationer, der ses fra anlæg til anlæg, og at der i Figurerne 18 og 19 indgår motortyper med få målinger. Tabel 14 viser sammen med middelværdierne det konkrete antal bagved liggende målinger for det enkelte motormærke. Der har i tidligere DGC arbejde, fx. "Lugtgener fra kraftvarmeværker", 1998, været søgt efter årsager til lugtemissionerne. Hvor det har været muligt, er der forsøgt at påvise en sammenhæng imellem lugt og andre røggasparametre. Hidtil er det sket uden resultater. Den eneste konklusion, der umiddelbart er mulig at træffe, er, at motorer med åbenkammer tænding generelt har lavere lugtemissioner end motorer med forkammer tænding. Incinereringsanlægget i Nordborg reducerer lugtemissionen, hvilket tyder på, at lugten skyldes ikke afbrændte rester i røggassen. Dette billede passer sammen med, at forkammermotorerne også har højere emissioner af formaldehyd og af uforbrændt kulbrinter. Desværre er det ikke muligt at fremstille en entydig korrelation til aldehyder (alle enkelt komponenter undersøgt) eller til mængden af uforbrændt, Figur 20 viser et forsøg på at korrelere
DGC-rapport 35 emission af formaldehyd og lugt. Figur 20 viser en tendens til, at stigende formaldehyd emission også modsvares af stigende emission af lugt, men om der er en direkte sammenhæng eller om formaldehyd blot virker som indikator for de lugtende stoffer, har det hidtil ikke været muligt at afgøre. 35000 30000 25000 LE/m 3 20000 15000 10000 5000 0 0 50 100 150 200 Emission af formaldehyd mg/m 3 n @5% O 2 Figur 20: Forsøg på korrelation af formaldehyd og lugtemission. Tabel 14: Gennemsnitlige lugtemissioner opdelt på forkammer- og åbenkammermotorer. Datagrundlag angivet som antal målinger. Forkammer Åbenkammer LE/m3 antal målinger LE/m3 antal målinger Bergen 12635 18 Caterpillar 6148 20 3302 6 Ford 2963 17 Frichs 750 1 Jenbacher 5596 5 MAN 4160 5 MAN B&W 400 1 MWM 10253 5 Niigata 2887 3 Wärtsilä 9029 22 Waukesha 4600 1 Alle mærker 8720 64 4390 40
DGC-rapport 36 Det er således uklart, hvilke kemiske stoffer, der er årsag til lugten fra gasmotoranlæg. Formodningen går på ikke forbrændte kulbrinter og delvist oxiderede rester af naturgas eller smøreolie (organiske syrer/aldehyder/ketoner/alkoholer) evt. i forbindelse eller i kombinationer med NO x. Der er en betydelig spredning på de målte emissionsværdier. Den gennemsnitlig lugtemission er på 7050 LE/m 3 for alle gennemførte målinger, og spredningen er på 5800 LE/m 3. Beboerne omkring enkelte kraftvarmeværker har med de høje emissioner således enkelte steder oplevet lugtgener, hvilket har ført til lokale klager. Årsagen er i næsten alle tilfælde med problemer, at der ikke er taget tilstrækkelige hensyn til lugtemissionen fra gasmotorerne ved dimensioneringen af skorstene. Fra myndighedsside tillades et vist lugtniveau, normalt 5-10 LE/m 3 i værkets omgivelser i kortere perioder.
DGC-rapport 37 5.1.7 Butadien Der var på baggrund af emissioner af butadien fra bilmotorer skabt mistanke om, at der også fra gasmotorer kunne forekomme signifikante emissioner af butadien. Der er ikke tidligere gennemført butadienmålinger fra gasmotorer. Måleprogrammet i forbindelse med selve kortlægningsprogrammet indeholdt derfor butadienmålinger på de anlæg, hvor der foretages specielle målinger. For at opnå bedst mulig energimæssig dækning med hensyn til motortyperne er der udtaget prøver til analyse på de tre mest vigtige motormærker, Caterpillar 3616, Bergen KVGS og en Jenbacher JW320. Alle udtagne prøver var under analysemetodens detektionsgrænse på trods af, at der blev opsamlet store røggasprøver, og at prøverne blev koncentreret på kulrør. Dette betyder, at den eventuelt forekommende emission af butadien vil være mindre end detektionsgrænsen, hvilket for de gennemførte målinger vil sige mindre end henholdsvis 0.25, 1.0 og 0.15 mg/m 3. Der er varierende detektionsgrænser, da prøvemængden efter den første runde analyser blev øget for at mindske detektionsgrænsen. Heller ikke fra gasturbiner og biogasmotorer blev der observeret butadien ved en detektionsgrænse på 0.06 mg/m 3. Miljøstyrelsens rapport, Miljøprojekt 352, 1997, angiver at 0.35% af de uforbrændte kulbrinter fra bilmotorer er butadien. Omregnet til gasmotorer med et udslip af UHC (C) på ca. 1500 mg/m 3 ved 5% O 2, skulle der altså have været 5.25 mg butadien (C)/m 3, ved 5% O 2. Dette svarer til et indhold af butadien på 5.9 mg/m 3, ved 5% O 2. Sammenlignet med bilmotorer er der således tale om meget lavere emissioner af butadien for gasmotorer.