Validering af sensor til brug for kontrol af emissioner af partikler fra skibe Projektbeskrivelse Udarbejdet af: Jacob Mønster og Karsten Fuglsang 30. september 2014
Indhold 1 INDLEDNING... 3 2 BAGGRUND... 3 3 KRAV TIL PARTIKELSENSORER TIL BRUG FOR KONTROL AF EMISSIONER FRA SKIBE... 3 4 UDVÆLGELSE OG TEST AF POTENTIELLE PARTIKELSENSORER... 5 4.1 Udvælgelse af partikelsensor... 5 4.2 Testopstilling... 5 4.3 Resultater... 7 4.4 Vurdering... 10 5 KONKLUSION... 10 6 REFERENCER... 11 MILJØTEKNOLOGI 2/11
1 INDLEDNING Denne rapport har til formål at undersøge muligheden for at anvende en lille, strømsvag partikelsensor til at måle antallet af partikler i røgfanen fra dieseldrevne skibsmotorer. Rapporten er udarbejdet som et led i et projekt udført i samarbejde med virksomhederne Explicit A/S, som bl.a. udvikler droner til kontrol af emissioner fra skibsmotorer, og C.K. Environment A/S, som sælger måleudstyr til måling af luftemissioner, herunder partikelsensorer. Projektet er igangsat og støttet af Innovationsnetværket for Miljøteknologi som et såkaldt bobleprojekt. 2 BAGGRUND Det har længe været kendt at der er helbredsmæssige problemer forbundet med partikulær luftforurening. Efterhånden som det er lykkedes at reducere de landbaserede kilder til partikelforurening, kommer en stigende andel af partikelemissionen til atmosfæren fra dieseldrevne skibe. Grundet emissionerne af SO 2, NO x og partikler til atmosfæren er der via IMO (International Maritime Organisation) blevet stillet krav til hvor meget disse skibe må emittere af gasformige forbindelser, og disse krav vil blive skærpet samt i den nærmeste fremtid. Der er flere måder at foretage ekstern kontrol af, om skibene overholde disse regler. Kontrolmålinger kan enten være udført med stationært eller mobilt udstyr. Stationære målinger er hvor emissionen fra skibe registreres når skibe passerer opvinds fra en målestation. Mobile målinger kan komme tættere på kilden og kan enten placeres i et skib, fly eller drone. Sidstnævnte kan gøres relativt billigt i forhold til den fleksibilitet i målingerne det giver at kunne måle både vertikalt og horisontalt. Ulempen er, at de kommercielle partikelmålere på markedet er så store og energikrævende, at luftbårne målinger minimum kræver et bemandet fly. En lille og energisvag partikelsensor vil derimod kunne installeres på en drone og bidrage med information om emissionen fra de skibe som dronen passerer nedvinds fra. 3 KRAV TIL PARTIKELSENSORER TIL BRUG FOR KONTROL AF EMISSIONER FRA SKIBE Der er endnu kun fastsat grænseværdier for partikler fra skibe i visse dele af USA. Producenter af skibsmotorer anvender partikelmasse (PM) til måling af partikelemissioner, men IMO har siden 2013 forhandlet om at indføre grænseværdier for Black Carbon (BC). Disse forhandlinger er endnu ikke udmøntet i forslag til grænseværdier, men eventuelle krav til BC vil i vid udstrækning kunne korreleres med krav til partikelantal (PN). Som en proxy for såvel PM som BC forventes det derfor, at en måling af bidraget til PN i røgfanen fra en skibsmotor vil kunne anvendes til at udpege skibe med særlig høj emission af partikler. Det største antal af emitterede partikler fra skibe er i størrelsen fra 10 til et par hundrede nm. Direkte målinger i røgfanen nedvinds fra skibe har vist 10 til 100 gange flere partikler i størrelsen 10 til 200 nm sammenlignet med udenfor røgfanen (1, 2), imens hoveddelen af massen af de emitterede partikler ligger i størrelsen 100 nm til 10 µm (3). Figur 1 viser størrelsesfordelingen målt i skorstenen fordelt efter antal og masse. Det ses af Figur 1 at størrelsesfordelingen er bimodal. MILJØTEKNOLOGI 3/11
Figur 1. Tv.: partikelantal, Størrelsesfordelingen af partikler målt direkte i skorstenen. Tv.: partikelantal, th.: partikelmasse (4). Nedstrøms målinger i røgfanen fra skibe har ligeledes vist op til 5 gange så mange partikler i størrelsen 1 til ca. 8 µm flere km nedvinds (2). Figur 2. Massen af partikler som funktion af partikelstørrelse målt direkte på varm røggas (3). Da der er flest partikler i størrelsen 10 til 200 nm ville en partikeltæller der kan måle i dette størrelsesområde ville være oplagt med henblik på at karakterisere PN. Sådanne partikeltællere (CPC) er ofte store og energikrævende og benytter kondensering af en væske på partiklerne i et kontrolleret miljø for at kunne tælle dem optisk. Der findes også små diffusions partikelmålere (feks. fra Discmini), men de er for dyre at sende med op i en drone. En forskningsgruppe fra Tyskland har for nylig gjort to forskellige kommercielle CPC er små nok til at komme med en drone, med det formål at forske i dannelsen af 5 10 nm store partikler i atmosfæren (5). Da hoveddelen af den emitterede masse er fra partikler større end 300 500 nm (se Figur 2) vil en partikelsensor som effektivt kan tælle disse partikler potentielt være i stand til at måle størstedelen af partikelmassen. Desuden forventes partiklerne at vokse ved nedkøling som følge af kondensation af vanddamp, hvilket vil gøre dem større og nemmere at måle optisk. MILJØTEKNOLOGI 4/11
4 UDVÆLGELSE OG TEST AF POTENTIELLE PARTIKELSENSORER 4.1 UDVÆLGELSE AF PARTIKELSENSOR Der findes et stort antal partikelsensorer og målere, designet til forskellige applikationer. Mange af disse er til stationære målinger af luftkvalitet og har en størrelse og vægt samt strømforbrug der gør dem uegnet til montering på en drone. En dronebåren partikelsensor skal være lille, let og bruge minimum strøm, hvilken kraftigt minimerer antallet af brugbare sensorer. Desuden er det som følge af en kort forventet levetid pga. risikoen for nedstyrtning et krav ved kommerciel brug, at sensoren ikke har en høj anskaffelsespris. Den valgte sensor er en Alphasense OPC N1 (Figur 3), baseret på optisk måling og er lille, kompakt og strømsvag. Den måler på spredningen af lys fra en fokuseret laser, og da forskellige partikelstørrelser og antal vil sprede lyset anderledes, kan partikler i forskellige størrelser tælles. Grundet lysets bølgelængde er der en begrænsning for hvor små partikler sensoren kan måle. Producenten oplyser, at sensoren tæller partikler med ned til 380 nm, og den tæller derfor ikke de mindste partikler. Figur 3. Den valgte sensor OPC N1 fra Alphasense. 4.2 TESTOPSTILLING Til at teste den valgte partikelsensor blev der konstrueret en testopstilling til at generer partikler og kvantificere disse. Opstillingen muliggjorde variation af partikeltype, størrelse og antal og genererede partikler blev målt parallelt af partikelmålere. Den udvalgte partikelsensor (OPC) fra Alphasense blev testet og sammenholdt med målinger fortaget af en elektrisk lavtryks kaskadeimpaktor (ELPI) fra DEKATI. Fra producenten er det oplyst, at OPC en kan tælle partikler i 16 størrelsesfraktioner fordelt imellem 380 nm og 17 µm, hvoraf den nederste fraktion går fra 380 til 520 nm. ELPI en måler antallet af partikler i 13 størrelsesfraktioner fra 7 nm til 9.9 µm. Udover ovenstående partikeltællere var der også en Differential Mobility Analyzer (DMA) fra TSI i opstillingen, hvilket kunne bruges på to måder. Enten bruges DMA en til at udvælge én partikelstørrelse (før opblanding/fortyndingskammeret), som man efterfølgende kan teste partikeltællernes evne til at tælle, eller også skannes over flere partikelstørrelser (max range er fra 6 til 1000 nm) ved sammenkobling med en CPC. MILJØTEKNOLOGI 5/11
Figur 4. Laboratorieopstilling til test af lille optisk partikeltæller (OPC). Figur 4 viser et skematisk oversigt over forsøgsopstillingen. Partikler dannes og tørres af silica og enten opblandes med ren luft hvorefter partiklerne tælles (markeret med 1 i Figur 4), eller en partikelstørrelse udvælges, som derefter opblandes og antallet tælles (markeret med 2 i Figur 4). Alternativt kan partikler fra en prøvepose, f.eks. udstødning fra en dieselmotor, indføres systemet. Der kan enten vælges en partikelstørrelse med DMA (markeret med 3 i Figur 4) eller partiklerne kan føres igennem en flaske med/uden vanddamp for at se en eventuel ændring af partikelstørrelsen (markeret med 4 i Figur 4). Figur 5. Partikeltællere side om side i laboratoriet. OPC N1 er taget ud af røret for visuel sammenligning af måler/sensorstørrelse. MILJØTEKNOLOGI 6/11
4.3 RESULTATER Sammenligning mellem OPC og ELPI ved forskellige partikelstørrelser er vist i Figur 5. Specifikationerne på OPC siger at den måler partikler større end 380 nm, svarende til de tre største størrelsesfraktioner målt med ELPI. Resultaterne viser, at OPC tæller samme antal partikler ved større partikler (>800 nm). Ved 600 nm underestimerer OPC en smule, men den kun ser en ganske lille stigning i partikelkoncentrationen ved en tredobling af partiklerne ved 400 nm og ved en yderligere fordobling af det tilførte antal partikler ved 300 nm. Figur 6. Koncentrationen af NaCl partikler målt med OPC og ELPI ved forskellige partikelstørrelser valgt med DMA. Kun ELPI målinger over 380 nm størrelsesfraktionen er medtaget. Dette indikerer, at OPC kvalitativt kan måle partikler ned til under 300 nm, men at den kvantitativt måler bedst på partikler større end 600 nm. En blanding af 100, 200, 300 og 500 nm standard partikler opslæmmet i MilliQ vand (filtreret og ionbyttet vand med meget få ioner tilbage) henstod i en uge hvorefter mange af partiklerne havde sat sig sammen og gav muligheden for at teste partikelmålerne på lidt større partikler. Et scan af størrelsesfordelingen (Figur 7) viser mange partikler over 500 nm samt at massefordelingen udelukkende er ved partikler større end 300 nm. Ved samtidig måling med OPC og ELPI og ved at kigge på forskellige størrelsesfraktioner målt med ELPI (Figur 8) kan man se at OPC og ELPI måler samme antal partikler ved en nedre partikel cutoff et sted imellem 610 og 950 nm. MILJØTEKNOLOGI 7/11
Figur 7. Størrelsesfordeling af en blanding af standardpartikler målt med DMA og CPC. Figur 8. Partikelkoncentrationen i en blanding af standard partikler, målt med hhv. OPC og ELPI. For ELPI er vist forskellige størrelsesfraktioner. MILJØTEKNOLOGI 8/11
OPC og ELPI blev også sammenlignet ved måling på dieselpartikler. Partikler dannet ved starten af en dieselmotor (Fiat Punto, uden partikelfilter) blev opsamlet i en pose og indført i opsætningen vist i Figur 4. Størrelsesfordelingen af dieselpartiklerne er vist i Figur 9 og viser større partikler (mode ved 200 nm) end hvad man normalt ser fra diverse dieselmotorer (25 40 nm). Dette skyldes højst sandsynligt den høje partikelkoncentration i opsamlingsposen og at partiklerne derfor samler sig i klynger. Figur 9. Størrelsesfordeling af dieselpartikler fra udstødningen af en Fiat Punto uden partikelfilter. Partiklerne er til en vis grad agglomererede, da de er udtaget i en pose og analyseret ca. 20 min. efter prøvetagning. En tilsvarende test som for standardpartiklerne, med sammenligning af totalt antal partikler målt med OPC og antal partikler i tre størrelsesfraktioner målt med ELPI (Figur 10) viser at OPC har lignede måleegenskaber for sodpartikler og standardpartikler. MILJØTEKNOLOGI 9/11
Figur 10. Antal målte dieselpartikler som funktion af tiden, målt med OPC og ELPI. Indsat er et zoom på den nedre del af grafen. 4.4 VURDERING Sammenligingen imellem OPC og ELPI viser at OPC kan måle partikler kvalitativt ned til 300 nm, men at den kvantitativt først måler korrekt når partiklerne når en størrelse på 6 700 nm. Det største antal partikler fra dieseldrevne skibe ligger i størrelsesfraktionen under 100 nm, men der emitteres også en vis fraktion af partikler over 400 500 nm, og disse partikler udgør den primære del af den emitterede partikelmasse. Det vurderes derfor, at OPC har forudsætningerne til at være en kandidat til måling af partikelmasse i røgfaner fra dieseldrevne skibe. 5 KONKLUSION Den optiske partikelsensor (OPC) fra Alphasense har den rette størrelse, vægt og energiforbrug til at blive monteret på en drone for at måle partikelkoncentrationen i luften hvor dronen flyver. Sensoren måler hurtigt (1 Hz) og der kan derfor opnås en god tidsopløsning på målingerne. Mange tidligere studier af partikler fra dieseldrevne skibe fokuserer på antallet af små partikler som den testede sensor ikke kan måle, men enkelte publicerede studier nævner også en signifikant stigning af større partikler (> 500 nm) i røgfanen fra dieseldrevne skibe. Det vurderes, at den testede partikelsensor har gode forudsætninger for at måle en sådan stigning i større partikler. Dette forudsætter dog, at størrelsesfordelingen af de emitterede partikler er bimodal, dvs. at der i udslippet fra skorstenen ikke kun findes partikler, som er < 100 nm, men også en vis fraktion af partikler > 500 nm. I forbindelse med litteraturgennemgangen i dette studie virker det sandsynligt, at en væsentlig og overvejende andel af partikelmassen i partikler findes i fraktionen > 400 500 nm (2,3,4,7,9). Da størstedelen af massen af partiklerne er blandt de større partikler, så vil målinger med OPC kunne bruges til MILJØTEKNOLOGI 10/11
at finde massen af partikler (f.eks. PM 10 og PM 2.5), men da antallet af små partikler kan være uafhængigt af partikelmassen, kan OPC ikke umiddelbart anvendes til at måle det totale partikelantal, når partikelstørrelsesfordelingen er domineret af partikler < 300 500 nm. 6 REFERENCER 1) Petzold, A., Weinzierl, B., Fiebig, M., Lichtenstern, M., & Gurk, C. (2006). Particle Emissions from Ship Engines : Emission Properties and Transformation in the Marine Boundary Layer, 78 82. 2) Frick, G. M., & Hoppel, W. A. (2000). Airship Measurements of Ship s Exhaust Plumes and Their Effect on Marine Boundary Layer Clouds. Journal of the Atmospheric Sciences, 57, 2625 2648. 3) Moldanová, J., Fridell, E., Popovicheva, O., Demirdjian, B., Tishkova, V., Faccinetto, A., & Focsa, C. (2009). Characterisation of particulate matter and gaseous emissions from a large ship diesel engine. Atmospheric Environment, 43(16), 2632 2641. 4) Characterization of the effect of the scrubber system installed on Ficaria Seaways. Project rapport September 2012 within the project of NaKIM by Danish Technological Institute, FORCE technology, University of Copenhagen and Alfa Laval Aalborg A/S) 5) Altstädter, B., Lampert, A., Scholtz, A., Bange, J., Platis, A., Hermann, M., & Wehner, B. (2013). Aerosol variability observed with RPAS. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL (September), 1 4. 6) Petzold, A., Hasselbach, J., Lauer, P., Baumann, R., Franke, K., Gurk, C., Schlager, H., Weingartner, E. (2008). Experimental studies on particle emissions from cruising ship, their characteristic properties, transformation and atmospheric lifetime in the marine boundary layer. Atmospheric Chemistry and Physics, 8(9), 2387 2403. 7) Fridell, E., Steen, E., & Peterson, K. (2008). Primary particles in ship emissions. Atmospheric Environment, 42(6), 1160 1168. 8) Kasper, A., Aufdenblatten, S., Forss, A., Mohr, M., & Burtscher, H. (2007). Particulate Emissions from a Low Speed Marine Diesel Engine. Aerosol Science and Technology, 41(1), 24 32. MILJØTEKNOLOGI 11/11