Naturgassbusser eller dieselbusser med avgassrensing – et miljøvalg?

Presentasjon om: "Naturgassbusser eller dieselbusser med avgassrensing – et miljøvalg?"— Utskrift av presentasjonen:

1 Naturgassbusser eller dieselbusser med avgassrensing – et miljøvalg?
Gasskonferansen i BERGEN 2003, 23—24 april: Naturgassbusser eller dieselbusser med avgassrensing – et miljøvalg? Senioringeniør Dag Stenersen MARINTEK

2 Utredningsprosjekt gjennomført av MARINTEK for Norsk Gassforum
Teoretisk beskrivelse av prinsipielle tekniske løsninger og muligheter for reduksjon av NOx- og partikkel-utslipp fra busser og ferger. Effekt av rensetiltak for dieselmotorer og bruk av naturgass som alternativt drivstoff for å reduserer nitrogenoksider og partikkelutslipp i transportsektoren. Kostnadseffektivitet for reduksjon av NOx og partikler over transportmiddelets levetid vha. ”case”-studier Norske forpliktelser til utslippsreduksjon er gitt av ”Göteborg-protokollen” og medfører en reduksjon av samlede NOx-utslipp med 29% fra 1990-nivå. Transportsektoren er den desidert største bidragsyter til Norges NOx-utslipp, og tiltak for å reduserte utslipp må omfatte denne sektoren. Partikkelutslipp fra dieselmotorer anses som et betydelig helseproblem som har fått stadig sterkere fokus de siste årene. Det foreligger flere metoder for NOx reduksjon fra motorer. I tiltaksplan utarbeidet av Sjøfartsdirektoratet datert som er et innspill til Miljøverndepartementet, er ulike tiltak beskrevet. Til fergedrift er både naturgass og rensing av dieseleksos med såkalt SCR katalysatorer (Selektiv katalytisk reduksjon) aktuelle løsninger. Tilsvarende vil videre utvikling av dieselmotorer anvendt i tyngre kjøretøyer forventes å gi lavere utslipp pga. strengere fremtidige utslippskrav. Teknologisk utvikling for å tilfredsstille disse kravene er nødvendig og baserer seg på motorutvikling og avgassrensing. Naturgass som drivstoff i stedet for diesel med renseteknologi er et alternativ til å redusere utslippene i miljøbelastede områder.

3 Bakgrunn Dagens teknologiske status for dieselmotorer er lagt til grunn Euro III godkjenning for bussmotorer, (NOx < 5 g/kWh) Fremtidige regler og krav for kjøretøymotorer vil bidra til reduserte utslipp Strengere utslippskrav for tunge dieselmotorer medfører behov for kontinuerlig utvikling av motor Nye strengere krav vil tre i kraft i 2005 (Euro IV)og 2008 (Euro V) vil kreve avgassrensing Utslipp fra tyngre kjøretøyer er regulert i spesielle utslippsstandarder som forbrenningsmotorene må tilfredstille for å bli godkjent, . Motorene skal tilfredstille de krav som gjaldt på det tidspunkt motoren ble produsert, og nye krav gis ikke tilbakevirkende kraft. Tabell 1 beskriver utslippskravene kalt Euro I-V, og utviklingen av disse over tid: *( enhanced environmentally friendly vehicles" = EEVs Utslippsstandarder, Euro I-V (Kilde:Dieselnet) g/kWh Nye tyngre kjøretøyer som selges i Norge i dag skal være i henhold til Euro III.. Endringer i motor testsyklusen er innført i Euro III standarden (år 2000). Den gamle stasjonære motor test syklusen ECE R-49 er erstattet med to testsykluser: en stasjonær syklus ESC (European Stationary Cycle) og en transient syklus ETC (European Transient Cycle). Røykmengde måles med den såkalte ELR (European Load Response) testen. For godkjenning av nye dieselmotorer i henhold til Euro III-standarden (fra år 2000), kan produsenten velge testmetode mellom de to testene. For typegodkjenning i henhold til grenseverdier satt i Euro IV (år 2005) og for såkalte EEV (Enhanced Environmental friendly vehicles), skal utslipp bestemmes etter begge testmetodene (ETC og ESC/ELR). For ytterligere beskrivelse av de forskjellige testmetodene henvises til

4 NOx og partikler i transportsektoren, motorutviklerens dilemma
Ønske om lave utslipp og høy virkningsgrad, men en får ikke i pose og sekk: Lave partikkelutslipp gir gjerne høye NOx-utslipp, og omvendt NOx- og partikkelreduksjoner må sees under ett i et fremtidig motorkonsept Avgassrensing gir gjerne høyere drivstofforbruk opptil 3-5% Utslippskrav kan oppnås ved Motorutvikling og renseteknologi for dieseleksos Naturgass som alternativt drivstoff En serie tiltak er gjennomført de siste 15 årene for å redusere utslipp fra dieselmotorer i tyngre kjøretøyer. Motortekniske tiltak: Injeksjonssystem, EGR, Vanninjeksjon, motorprosess/forbrenning Rensetekniske tiltak: Partikkelfilter, katalysatorteknologi Alternative drivstoff: Naturgass/biogass, LPG, Andre (hydrogen, etanol ..) Avgassrensing for å tilfredstille utslippskrav er et kjent prinsipp og katalysatorer har lenge vært påbudt i personbiler. For tyngre dieseldrevne kjøretøyer har dette ikke vært påkrevd ut fra betydelig mer romslige krav til utslipp og at gjeldende krav har blitt tilfredstilt med hjelp av stadig mer avansert motorteknologi. Det erkjennes imidlertid nå at det med dagens kunnskapsnivå om emisjonsreduserende tiltak blir avgassrensing nødvendig for å nå fremtidige krav i 2005 og 2008 for dieselmotoren. I regelverket er det definert en såkalt ”emisjonsklasse” – (EEV) hvor det er strengere krav til NOx. Naturgasskjøretøyer ligger innefor denne klassen, og naturgassmotoren tilfredstiller allerede i dag denne klassen noe som medfører lavere NOx-utslipp enn 2 g/kWh. Euro III krav til dieselmotoren er 5 g/kWh. To typer naturgassmotor benyttes, såkalt lambda=1 motor og magermotor. Førstnevnte benytter samme teknologi som dagens bensinbiler samt en treveis katalysator for å redusere emisjonene, (CO, THC og NOx). Magermotorkonseptet opereres med luftoverskudd som reduserer forbenningstemperaturen noe som dermed reduserer NOx-dannelsen i selve sylinderen. Konseptet benytter oksyderende katalysator for å redusere CO og THC.

5 Hva med naturgassbusser?
Strategier for utslippsreduksjon av partikler og NOx 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 Partikkelutslipp, g/kWh Potensiale vha. avansert motorteknologi, (lav NOx gir mye partikler og omvendt) Avansert innsprøytning,+ kjølt EGR+ partikkelfilter eller oksiderende katalysator Euro 3 Dagens EURO 3 status Forbedret forbrenning + avansert "timing" SCR DeNOx Fra Figuren sees to eksempler på utviklingsstrategier fra dagens Euro 3 nivå som kan gi ytterligere avgassreduksjon for å tilfredstille fremtidige grenseverdier til utslipp: Partikkelreduksjon til et nivå lavere enn de foreslåtte grenseverdier ved hjelp av motortekniske tiltak og NOx reduksjon ved hjelp av SCR (Selective Catalytic Reduction) NOx-reduksjon via avkjølt EGR og partikkelreduksjon ved hjelp av partikkelfeller. Ulike metoder for NOx-reduksjon finnes og SCR-teknologi er en slik metode. Blant utstyrleverandører foregår det utvikling og uttesting av forskjellige katalysatortyper og emisjonsreduserende tiltak. Filtrering av eksosgass fra dieselmotorer benyttes i dag for å fjerne partikler, og det finnes flere materialtyper som kan benyttes som aktive elementer i en partikkelfelle og som gir filtreringsgrader opp mot 95%. Effektiv drift av kjøretøyer med partikkelfilter krever imidlertid kontinuerlig regenerering av filtrene. Dette er et område som fortsatt ikke er tilfredstillende løst. Det er viktig å være klar over at enkelte av metodene ovenfor stiller strenge krav til lavt svovelinnhold i dieselkvaliteten som benyttes SCR DeNox Euro 5 Euro 4 10,0 NOx-utslipp, g/kWh

6 Teknologiutvikling gir lavere utslipp
Effekt av teknologi-utvikling Euro 3 Euro 4 Euro 5 Naturgass % IVECO Cursor CNG 8000 Engine Performance Emission Comparison to the Legal Limits Ref. M.Seifert, NGV 2002

7 NOx-reduksjon - hovedprinsipper
NOx-katalysator for mager blanding, (LNC=Lean NOx catalyst) Selektiv katalytisk reduksjon ved hjelp av hydrokarboner NOx adsorpsjon (Lean NOx Trap = LNT) Adsorpsjon av NOx fra mager eksos etterfulgt av frigjøring og katalytisk reduksjon under rike blandingsforhold Selektiv katalytisk reduksjon (SCR) SCR ved hjelp av ammoniakk/urea NOx-katalysator for mager blanding er utviklet for å redusere NOx fra eksos fra diesel- eller bensinmotorer under oksiderende forhold, dvs ved tilstedeværelse av store mengder oksygen. Det benyttes en keramisk honeycomb-kjerne som inneholder mange små kanaler, alternativt en metallisk substrat som er laget av tynne metallfolier, med edelmetall som katalytisk materiale slik som platina, (Pt), palladium (Pd) eller begge deler. NOx-feller for mager blanding (LNT) er en metode for NOx adsorpsjon under utvikling for å fjerne NOx fra magre eksosblandinger. I denne teknologien oksideres NO til NO2 og lagres i tilgrensende område som et nitrat. Det lagrede NOx fjernes så i en to-trinns reduksjonsprosess ved temporært å tilføre en rik eksosblanding ved å tilføre en ekstra dose drivstoff. NOx-adsorbere benytter edelmetaller for å få til NO2-konvertering. NO2 lagres lokalt som nitrat. For effektiv operasjon må NOx-adsorberen ha stabile forhold over lengre perioder mellom hver gang eksosen varierer mellom mager og rik blanding. Dieselmotorer opereres normalt med mager blanding i alle driftområder. For å få til rik blanding må dette styres aktivt, for eksempel ved tilleggsfunksjoner i motorkontrollsystemet. Selektiv katalytisk reduksjon (SCR) er en vanlig teknologi for å fjerne NOx fra eksos i stasjonære anlegg. I systemet benyttes et katalytisk materiale og det tilføres ammoniakk eller urealøsning for å få redusert NOx-innholdet. Det arbeides nå for å tilpasse slike systemer til kjøretøyer, og dette møter flere utfordringer: 1) det må medbringes en tank med ureaoppløsning for dosering inn i eksosen som må etterfylles, 2) injeksjon av urea må være presis og doseringen må være helt nøyaktig til den mengde NOx som er tilsted i eksosen til enhver tid. Ved kontinuerlige last og turtallsendringer endrer også NOx-innholdet seg. SCR-systemet vil derfor stille store krav til reguleringssystem for nøyaktig dosering av urea. Ved for lite urea medfører dette at NOx ikke reagerer og for høye utslipp blir resultatet. For mye urea medfører utslipp av ammoniakk fra eksosrøret. For å hindre det siste kan det benyttes ytterligere en katalysator i avgassystemet.

8 Partikelfilter Utfordring: Effektiv regenerering av filterne
Passive metoder: Katalytisk filter Kontinuerlig regenerering Aktive metoder: Regenerering ved hjelp av tilførsel av additiver Filter med regenerering ved hjelp av brenner eller lignende Et partikkelfilter fungerer ved at det samler opp sotpartiklene i eksosgassen. Partikkelfilteret er bygget opp av mange små kanaler, og selve filtersubstratet er laget av keramisk materiale. Kanalene er lukket i motsatt ende av strømningsretningen for avgassen slik at eksosen tvinges til å gå gjennom kanalveggen hvor partiklene blir samlet opp. Selv om partiklene er små vil filteret raskt bli tilstoppet hvis det ikke var kombinert med en metode for å fjerne sotpartiklene. Fjerning av soten skjer ved kontinuerlig avbrenning av de akkumulerte sotpartiklene. Denne prosessen kalles regenerering av filteret. Noen filtre har passiv regenerering (dvs det skjer av seg selv) mens andre har aktiv regenerering, dvs den krever hjelp til å brenne av partiklene, f. eks ved å benytte strøm eller tilleggsbrenner for å ”fyre” partikkelfilteret. Temperaturen som oppnås i eksossystemet ved variabel motorbelasting varierer fra C. Det er mulig å antenne de sotpartiklene som er samlet opp i filtret ved temperaturer på C. Dette kan blant annet oppnås ved å kombinere filteret med en katalysator som produserer store mengder NO2, ved å benytte et additiv i brennstoffet eller ved å tilføre ytterligere energi (fra kjøretøyets el. system eller ved tilleggbrenner i tilknytning til partikkelfilteret). For å sikre regenerering av filtre under variable driftsforhold og lavere eksostemperatur er det i prinsippet fire forskjellige teknologier som benyttes og som er egnet for anvendelse på kjøretøyer: 1. Katalytisk metode: Katalytisk materiale (edelmetaller) er inkludert i overflaten av filterelementet. Dette bidrar til å redusere antennelsestemperaturen for oksidering av partiklene. 2.  Kontinuerlig regenerering baserer seg på at det benyttes en katalysator som oksiderer NO til NO2 som adsorberer på de oppsamlede partiklene som medfører at temperaturen som skal til for å regenerere filteret også reduseres. 3. Tilførsel av additiver i drivstoffet bidrar til å redusere antennelsestemperaturen for partiklene. 4. Aktive brennere, elektriske varmere eller forbrenning av drivstoff ved hjelp av katalytisk materiale varmer opp innkommende eksos til en tilstrekkelig høy temperatur til å antenne partiklene.

9 Renseteknologi, dieseleksos fra kjøretøyer
Renseteknologi, dieseleksos fra kjøretøyer. Testoppsett for å oppnå Euro 5 utslippskrav Skjematisk testoppsett av laboratoriemotor og katalysatorsystem med målepunkter (T,P, FTIR) I regi av ”Assosiation for Emission Control by Catalysts (AECC)” er det gjennomført laboratorietester for å kartlegge mulighetene til å oppnå fremtidige EU-krav. I testene er det benyttet et katalytisk partikkelfilter og ureabasert selektiv katalytisk reduksjon og et ammoniakk rensesystem som er koblet opp mot en Euro III dieselmotor, type Iveco Cursor 8. Resultater fra disse laboratorietestene bekrefter at det er mulig å oppnå avgassemisjoner i henhold til Euro V. Testene viste et økt drivstofforbruk på 2%. Ureaforbruket var 4,8% av drivstofforbruket over de to testsyklusene som ble kjørt. CB-PDF: Katalysatorbasert Partikkelfilter SCR: Selektiv katalytisk reduksjon CUC: Oksiderende katalysator Urea injeksjonssystem Reguleringssystem

10 Avgassrensing dieselmotor/gassmotor
Visjon mot Euro 5 for diesel (SCR-urea basert løsning) Naturgassmotor (Enkel passiv enhet) Oksyderende katalysator Eksos CB-PDF: Katalysatorbasert Partikkelfilter SCR: Selektiv katalytisk reduksjon CUC: Oksyderende katalysator Urea injeksjonssystem, lagring og håndtering. Aktivt reguleringssystem med store krav til transienter og dynamisk respons Oksyderende katalysator, (passiv enhet) Tror vi en slik teknologi vil virke over kjøretøyets driftsprofil?

11 Case-studie Typisk bybussrute i Bergen Dieselmotor, Euro 3,4,5
Ruteinformasjon, motordata, driftsprofil, kostnadsdata (investering og drift) Dieselmotor, Euro 3,4,5 Naturgassmotor 2003 og 2008 Beregne tiltakskostnader for NOx-reduksjon sammenlignet med basis Euro 2 dieselmotor Typiske bybusser i Norge har en motoreffekt på ca. 180 kW. Det er derfor tatt utgangspunkt i forbruks- og utslippskarakteristikker for motorer i denne ytelsesklassen som tilfredstiller Euro II og Euro III utslippskrav når det gjelder dagens teknologi. For å tilfredstille fremtidige utslippskrav er det benyttet samme basismotor samt avgassrensing med teknologier beskrevet tidligere. For naturgass er det benyttet motorkarakteristika for dagens naturgassmotorer i sammenligningene. Det er også benyttet en beste fremtidig motorløsning med karakteristika fra laboratorietester.

12 Gjennomsnittlig ytelse, kW
Buss-case Basis – Euro 2 dieselmotor og dagens naturgassmotor Kartlegging av rute og driftsprofil Lengde: 27,7 km Antall stoppesteder: 66 Kjøretid: minutter Årlig kjørelengde km Gj.snitts ytelse: 45 kW Kostnadstall Diesel: 6,50 kr/liter Gass: 5,0 kr/ Sm3 Euro 4: Investering NOK Euro 5: Investering NOK Investering gassbuss: NOK Avskrivning: 10 år, 8% rente Implementering av basisdata i beregningsverktøy Effekt av teknologiutvikling Typisk driftsprofil for bybuss karakteriseres av lav gjennomsnittsbelastning på grunn av mye tomgangskjøring ved holdeplasser og tett trafikktetthet som gir lav gjennomsnittshastighet. Typisk driftsprofil for bybusser er vist i Figurene. Målinger utført av Teknologisk institutt i Danmark gir en typisk hastighetsprofil for bybusser med stadige akselerasjoner og retardasjoner/stopp. I målinger gjennomført av MARINTEK er også motorbelastningen kartlagt. Som fremgår av disse figurene er hastigheten sjelden over 50 km/t og motorytelsen er sjelden over 50%. MARINTEK har målt gjennomsnittlig motoreffekt til ca kW over en bussrundtur, dvs start og stopp fra samme holdeplass slik at netto stigning blir null. Videre er motorens arbeidspunkt som funksjon av belastning og turtall kartlagt med basis i målinger.  Driftsmodus %-andel oppholdstid i hver driftsmodi Gjennomsnittlig ytelse, kW Ved holdeplass (tomgang) 15,9 % 2,5 Manøver ut 11,4 % 10 Akselerasjon 15,7 % 150 Normal fart 36,4 % 50 Retardasjon i trafikk 20,6 % 2 Sum 100,00 % Veid snitt: 45

13 Resultater – Kostnadseffektivitet for alternativ bussteknologi
Årlig drivstoffbesparelse for gassdrift i forhold til diesel Dagens gassmotorteknologi lagt til grunn Euro 5 med full ”rensepakke” (SCR + partikkelfilter + oksyderende katalysator) Beregningene viser drivstofforbruk, NOx-utslipp, partikkelutslipp og årlige kostnader ved forskjellige teknologier for å oppfylle fremtidige avgasskrav gitt ved Euro 4 og 5. Utgangspunktet er en Euro 2 motor for en dieselbuss, og %-vis endring av utslipp for andre teknologier er relatert til Euro 2 motoren. Nye kjøretøyer i dag skal tilfredstille Euro3, mens Euro 4 trer i kraft fra 2005 og Euro 5 fra 2008.

14 Resultater - bybuss

15 Resultater – bybuss Diesel Euro 3: NOx-utlipp er redusert med 30%, ekstrakostnader skyldes økt drivstofforbruk sammenlignet med Euro2. Naturgassbusser i dag gir ca. 80% reduksjon i NOx. Høye investeringskostnader og tillegg i driftskostnader sammenlignet med diesel gir høye tiltakskostnader, og dette kompenseres ikke med lavere gasspris. Euro 4 krever økte investeringer i renseteknologi for å oppnå 50% NOx-reduksjon. Euro 5 vil gi 70% NOx reduksjon, men krever enda dyrere renseteknologi. Naturgass 2008 har potensiale til lave utslipp og betydelig bedret drivstofføkonomi. Dette medfører innsparinger på drivstoffkostnadene som medfører at tiltakskostnadene for NOx-reduksjon blir lavere. NOx-reduksjon, sammenligning mot Euro 2 dieselmotor

16 Partikkel-utslipp Økt partikkelutslipp for Euro 3 motorer pga NOx ”tradeoff”. Naturgass gir små mengder partikler. Euro 4 og 5 gir betydelig partikkelreduksjon sammenlignet med Euro 2, men vil være høyere enn for naturgassdrift.

17 Bybuss, sensitivitet i økonomitall
Gassprisen: -1 kr per Sm3 gir en reduksjon fra 55 til 10 kr/ kg NOx. Inv.kost, Euro 5: -25% gir reduksjon fra kr 42 til 35 per kg NOx Ekstrakost for NG busser: -20% gir reduksjon fra 55 til 44 kr per kg NOx Små endringer i investerings- og/eller driftskostnader vil endre på resultatene. Reduksjon av gassprisen med 20% (til kr 4,0 per Sm3) gir betydelig lavere driftskostnader for gassbuss-alternativet og tiltakskostnaden for NOx-reduksjon reduseres fra kr 55 til kr10 per kg NOx. Tilsvarende vil reduserte investeringskostnader også bidra til reduksjon i tiltakskostnadene. Reduksjon av investeringskostnaden for Euro 5 dieselmotoren med 25% gir en reduksjon i tiltakskostnader fra kr 42 til 35 per kg NOx. Tilsvarende vil reduksjon av merkostnaden for naturgassbusser ned 20% gi reduserte tiltakskostnader fra 55 til 44 kr per kg NOx. Dette betyr at gassprisen er den desidert viktigste parameteren med hensyn til resultatene for gassbussalternativet. Tilstrekkelig lav gasspris vil gjøre gassbusser til et kostnadseffektivt alternativ til fremtidige Euro 5 dieselbusser. Gassprisen er viktigste faktor for en kostnadseffektiv løsning for bybusser

18 Oppsummering - bybussdrift
Dieselmotor med avansert renseteknologi / Naturgass som alternativt drivstoff ”Dieselvalget” Reduksjonspotensial: Fremtidige krav er oppnåelig for både NOx og partikler ved bruk av avansert renseteknologi Teknologisk status: Renseteknologi må utvikles til kommersielle produkter. Krav til lavsvovel drivstoff Utviklingspotensial: Dieselmotoren er moden teknologi med begrenset utviklingspotensial Stort potensial for lave utslipp ved ny renseteknologi for å oppnå fremtidige NOx og PM krav. Konsekvens er økt drivstofforbruk i forhold til dagens motorer. ”Naturgassvalget:” Reduksjonspotensial: Betydelig for NOx og partikler ved bruk av dagens teknologi. Spesifikke utslipp er allerede lavere enn fremtidige krav Teknologisk status: Naturgassmotorer er kommersielt tilgjengelig Utviklingspotensial: NG-motor er ”ny” teknologi og har stort potensial til videreutvikling Lavere utslipp av NOx og partikler Bedre reguleringssystem Lavere forbruk - Naturgassbuss 2003 gir høyest tiltakskost og høyest reduksjon av NOx (90%) og partikler (94%). - Euro 4 og 5 dieselmotorene forventes 40-70% reduksjon av NOX og 80% reduksjon av PM - Gassmotorens dårlige virkningsgrad ved lav last medfører økt drivstofforbruk sammenlignet med diesel og dermed relativt liten reduksjon av CO2-utslipp. - Reduksjon av gassprisen med 20% reduserer NOx tiltakskost fra kr 55 til kr 10 per kg NOx for gassbuss. - Tilstrekkelig lav gasspris vil gjøre gassbusser til et kostnadseffektivt alternativ til fremtidige Euro 5 dieselbusser. - Utviklingspotensialet for gassmotoren er stort, og lavere utslipp og bedre virkningsgrad kan oppnås som gir lavere tiltakskost for denne teknologien enn for en Euro5 dieselmotor, og som vil bidra til lavere CO2-utslipp

19 Konklusjoner Dagens naturgassbusser gir høy NOx- og PM-reduksjon, men har høye tiltakskostnader Det kreves betydelig utvikling av effektiv diesel renseteknologi for å tilfredstille Euro 5. Naturgassmotorer har potensial til lavere utslipp og lavere tiltakskostnader enn dieselteknologi med avgassrensing For at gassbusser skal opprettholde sine klare miljøfordeler og fremstå som et kostnadseffektiv alternativ kreves videre utvikling av motorkonseptet.

20 Takk for oppmerksomheten