Emisja i wskaźniki emisji zanieczyszczeń powietrza dla celów monitoringu stanu jakości powietrza oraz POP (wybrane zagadnienia) Aleksander Warchałowski Katarzyna Bebkiewicz Warszawa, wrzesień 2011
WPROWADZENIE Jest rzeczą oczywistą, że wielkość emisji zanieczyszczeń do atmosfery decyduje o jej jakości. Dlatego do oceny stopnia odpowiedzialności za jakość powietrza dla stanu istniejącego i dla prognozy konieczne są narzędzia bądź dane empiryczne o emisji i jej parametrach stanowiące wsad do modeli opisujących rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń. Podstawowym dowodem na wypełnianie zobowiązań konwencji jest coroczne opracowywanie inwentaryzacji emisji i pochłania gazów cieplarnianych przez kraje sygnatariuszy konwencji.
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja [Gg ekw. CO2] STAN OBECNY I TRENDY ZMIAN EMISJI Emisja gazów cieplarnianych na przestrzeni lat 1988-2009 [Gg ekw. CO 2 ] 600 000 550 000 500 000 450 000 Emisja GHG 6% cel wyznaczony przez Protokół z Kioto 400 000 350 000 300 000
STAN OBECNY I TRENDY ZMIAN EMISJI 0,20% 6% 9% 83% 2% 1. Energia 2. Procesy przemysłowe 3. Użytkowanie rozpuszczalników i innych produktów 4. Rolnictwo 15% 18% 57% 1. Przemysły energetyczne 2. Przemysł wytwórczy i budownictwo 3. Transport 6. Odpady 10% 4. Inne sektory Udział poszczególnych sektorów w całkowitej emisji gazów cieplarnianych w 2009 roku. Struktura emisji gazów cieplarnianych z sektora Spalanie paliw w 2009 roku.
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja GHG [Gg ekw. CO2] STAN OBECNY I TRENDY ZMIAN EMISJI Emisja gazów cieplarnianych w latach 1988-2009 w podziale na sektory. 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 6. Odpady 4. Rolnictwo 3. Użytkowanie rozpuszczalników i innych produktów 2. Procesy przemysłowe 1. Energia 0
ŹRÓDŁA POWSTAWANIA ZANIECZYSZCZEŃ procesy spalania w sektorze produkcji i transformacji energii (elektrownie, elektrociepłownie, ciepłownie, rafinerie), procesy spalania w sektorze komunalno-bytowym, procesy spalania w przemyśle, procesy produkcyjne, wydobycie i dystrybucja paliw kopalnych, transport samochodowy, inne pojazdy i urządzenia (np. maszyny produkcyjne zasilane na olej napędowy, ciągniki rolnicze, transport powietrzny oraz żegluga), zagospodarowanie odpadów, rolnictwo (wypalanie ściernisk, gospodarka odchodami).
Zużycie [TJ] ŹRÓDŁA POWSTAWANIA ZANIECZYSZCZEŃ Zużycie ogółem nośników energii pierwotnej w gospodarce narodowej 4 000 000 3 500 000 3 000 000 2 500 000 2 000 000 1 500 000 1 000 000 500 000 0 Węgiel kamienny węgiel brunatny Ropa naftowa Gaz ziemny Torf i drewno opałowe Energia wody, wiatru, słoneczna, geotermalna, pompy ciepła Paliwa odpadowe stałe i inne surowce 1988 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja CO2 [Gg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ 500 000 450 000 400 000 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 Krajowa emisja CO2 w latach 1988-2009 CO2 z uwzględnieniem pochłaniania CO2 bez uwzględniania pochłaniania
1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja [Mg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ 4500000 4000000 3500000 3000000 Krajowa emisja SO2 w latach 1980-2009 2500000 2000000 SO2 1500000 1000000 500000 0
1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja [Mg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Krajowa emisja NOx w latach 1980-2009 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 NOx 400000 200000 0
1980 1990 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja [Mg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ 9 000 000 8 000 000 7 000 000 6 000 000 Krajowa emisja CO w latach 1980-2009 5 000 000 4 000 000 CO 3 000 000 2 000 000 1 000 000 0
Emisja [Mg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ 500 000 450 000 400 000 350 000 Krajowa emisja pyłów w latach 1980-2009 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 TSP PM10 PM2.5 0 1980 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja [Mg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ 6000 5000 4000 Emisja Pb, Cu, Zn i Ni w latach 1980 2009 Pb Cu Ni Zn 3000 2000 1000 0
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja [Mg] TRENDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ 300 250 200 Emisja Cd, Hg, As, Cr w latach 1980 2009 Cd Hg As Cr 150 100 50 0
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Wydajność kotła kg D h Moc źródła D gdzie: D wydajność kotła [ton pary/h] h p entalpia pary dobrana z wykresu [kj/kg] h w entalpia wody [kj/kg] W kj h h p w h
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Moc cieplna źródła gdzie: W moc źródła [kj/h] M W [ MW ] 3 3600 10 Strumień paliwa gdzie: W moc źródła [kj/h] η sprawność kotła [%] Q wartość opałowa paliwa [kj/kg] B W kg Q h
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Objętość spalin wilgotnych dla l rzeczywistej V w sp V + um kg l V pow, t sp, w 1 gdzie: V W sp objętość spalin wilgotnych [um 3 /kg] Objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej V gdzie: V W sp objętość spalin wilgotnych [um 3 /kg] V sp w sp um kg 1 X w 3 3
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Objętość powietrza do spalania, obliczona wzorem empirycznym, w oparciu o wartość opałową paliwa jest następująca: 3 0, 241 Q µm V + pow, t 0, 5 1000 kg gdzie: Q wartość opałowa paliwa [kj/kg] Objętość spalin wilgotnych, obliczona z tych samych parametrów paliwa, przy założeniu, że l =1 3 0, 212 Q µm V sp w +, 1, 65 1000 kg gdzie: Q wartość opałowa paliwa [kj/kg]
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Stężenie dwutlenku siarki w spalinach gdzie: C SO 2 2 s V kg um 3 sp s zawartość siarki w paliwie [%] V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg] Stężenie dwutlenku azotu gdzie: C NO C 2 stężenie NO 2 w spalinach [ppm] NO ppm M NO 2 masa molowa NO 2 [g/mol] 2 C M kg um NO2 ppm NO2 3 22,41
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA gdzie: Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: CO ppm C NO C stężenie CO w spalinach [ppm] M CO masa molowa CO [g/mol] Stężenie dwutlenku węgla gdzie: C NO C 2 stężenie CO 2 w spalinach [ppm] CO ppm M CO 2 masa molowa CO 2 [g/mol] 2 2 C Mco kg um COppm 3 C 22,41 M kg um CO2 ppm CO2 3 22,41
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Stężenie pyłu w spalinach wynosi: gdzie: C pyły a u V kg um 3 sp a zawartość popiołu [%] u unos popiołu z paleniska [%] V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg]
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Emisje poszczególnych składników wynoszą: kg ESO V C B 2 sp SO2 h gdzie: V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg] C stężenie dwutlenku siarki w spalinach [um 3 /kg] SO 2 B strumień paliwa [kg/h] kg ENO V C B 2 sp NO2 h gdzie: V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg] C stężenie dwutlenku azotu w spalinach [um 3 /kg] NO 2 B strumień paliwa [kg/h]
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: kg ECO Vsp CCO B h gdzie: V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg] C stężenie tlenku węgla w spalinach [um 3 /kg] CO B strumień paliwa [kg/h] kg ECO V C B 2 sp CO2 h gdzie: V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg] C stężenie dwutlenku węgla w spalinach [um 3 /kg] NO 2 B strumień paliwa [kg/h]
ZASADY OKREŚLANIA EMISJI ZE SPALANIA Wzory wykorzystane do obliczania stężeń i emisji zanieczyszczeń: Emisja pyłu uwzględniająca sprawność urządzenia odpylającego: kg E pyły Vsp C pyu B 1 odp h gdzie: V sp objętość spalin suchych, dla l rzeczywistej [um 3 /kg] C stężenie pyłu w spalinach [um 3 /kg] Pyły 2 Emisja CO2 B strumień paliwa [kg/h] η odp sprawność urządzenia odpylającego [%] gdzie: E CO2 = B * C * 44/12 * FO C zawartość pierwiastka węgla w paliwie, FO wskaźnik utleniania węgla, zależny od typu paliwa i technologii spalania.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Kataster emisji NO2 w Sopocie w 2008 r.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Rejony emisji
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Kataster emisji PM10
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Emisja PM10 ze źródeł powierzchniowych w 2008 roku.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Emisja PM10 ze źródeł powierzchniowych w 2008 roku.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Emisja PM10 ze źródeł powierzchniowych w 2008 roku.
WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisje zanieczyszczeń z silników pojazdów samochodowych elementarnych kategorii można opisać wzorem: E m W ij Całkowita emisja danego zanieczyszczenia z danej kategorii jest równa sumie emisji z poszczególnych rodzajów środków transportu należących do tego działu: j E i E ij gdzie: E emisja, m zużycie paliwa, W wskaźnik emisji, i indeks oznaczający rodzaj zanieczyszczenia (CO 2, CH 4, N 2 O, CO, NMLZO, itd.), j indeks oznaczający rodzaj środków transportu, l liczba rodzajów środków transportu w danej kategorii. i j1 ij
WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Przykładowe wskaźniki emisji dla pojazdów samochodowych Rodzaj środka transportu Wskaźniki emisji [g/kg] CO NMLZO NOx PM Samochody osobowe zasilane benzyną 230,0 44,0 34,1 0,0 Samochody o masie całkowitej do 3500 kg zasilane olejem napędowym 18,0 4,0 18,8 6,0 Samochody ciężarowe o masie całkowitej powyżej 3500 kg 32,5 12,5 53,0 6,0
WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Europejskie regulacje dotyczące ograniczenia emisji z pojazdów samochodowych zawarte w Dyrektywie 1999/96/WE, są powszechnie znane jako normy Euro. Norma Data CO HC HC+NOx NOx PM Silniki o ZS [g/km] Euro I 07.1997 2,72-0,97-0,14 Euro II 01.1996 1-0,7-0,08 Euro III 01.2000 0,64-0,56 0,5 0,05 Euro IV 01.2005 0,5-0,3 0,25 0,025 Euro V 09.2009 0,5-0,23 0,18 0,005 Euro VI 09.2014 0,5-0,17 0,08 0,005 Norma Data CO HC HC+NOx NOx PM Silniki o ZI [g/km] Euro I 07.1997 2,72-0,97 - - Euro II 01.1996 2,2-0,5 - - Euro III 01.2000 2,3 0,2-0,15 - Euro IV 01.2005 1 0,1-0,08 - Euro V 09.2009 1 0,1-0,06 0,005 Euro VI 09.2014 1 0,1-0,06 0,005 Samochody osobowe z silnikiem o zapłonie samoczynnym i o zapłonie iskrowym
b NOx [g/km] b PM [g/km] WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 20 40 60 80 100 v AV [km/h] 12 Zależność emisji drogowej cząstek stałych b PM z samochodów ciężarowych od średniej prędkości v AV 10 8 6 4 2 Zależność emisji drogowej NOx b NOx z samochodów ciężarowych od średniej prędkości v AV 0 0 20 40 60 80 100 v AV [km/h]
b NOx [g/km] b PM [g/km] 0,06 0,05 WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Zależność emisji drogowej cząstek stałych b PM z silników lekkich samochodów ciężarowych od średniej prędkości v AV 0,8 v AV [km/h] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Zależność emisji drogowej NOx b NOx z silników lekkich samochodów ciężarowych 0,2 od średniej prędkości v AV 0,1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 v AV [km/h]
b NOx [g/km] b PM [g/km] WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0,6 0 0 20 40 60 80 100 120 140 v AV [km/h] Zależność emisji drogowej cząstek stałych b PM z silników samochodów osobowych od średniej prędkości v AV 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Zależność emisji drogowej NOx b NOx z silników samochodów osobowych od średniej prędkości v AV 0 0 20 40 60 80 100 120 140 v AV [km/h]
WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Prognoza ruchu pojazdów w roku 2015
WSKAŹNIKI EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Prognoza ruchu pojazdów w roku 2025
OKREŚLANIE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Całkowita emisja substancji szkodliwych dla środowiska jest sumą emisji z poszczególnych pojazdów we wszystkich możliwych warunkach ruchu, można więc przedstawić ją poniższą formułą jako kombinację: gdzie: m (z) N i1 K k1 b (z,k,i) L (j) b (z,k,i) średnia emisja drogowa substancji z z pojazdów kategorii i w warunkach ruchu j, L (j) liczność pojazdów w kategorii i, p (j) średnia droga przebywana przez pojazd kategorii i w okresie bilansowania na obszarze bilansowania, u (k,j) stosunek średniej drogi przebywanej przez pojazd kategorii i w warunkach ruchu j i średniej drogi przebywanej przez pojazd kategorii i w okresie bilansowania na obszarze bilansowania, I liczba kategorii pojazdów, J liczba warunków ruchu. p (j) u (k,j)
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO SDR samochodów osobowych na drogach krajowych w 2005r. Gdańsk Szczecin Gorzów Wlkp. Bydgoszcz Toruń Poznań Olsztyn Warszawa Białystok W N S E Zielona Góra Łódz Wrocław Opole Katowice Kielce Kraków Lublin Rzeszów miasta województwa samochody osobowe 1-5000 5000-7500 7500-15000 15000-30000 30000-61893
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja NO2 na drogach krajowych w 2005r. Gdańsk Szczecin Gorzów Wlkp. Bydgoszcz Toruń Poznań Olsztyn Warszawa Białystok W N S E Zielona Góra Łódz Wrocław Opole Katowice Kielce Kraków Lublin Rzeszów miasta województwa NO2 [t/a] 0-1 1-10 10-50 50-100 100-384.2
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja SO2 na drogach krajowych w 2005r. Gdańsk Szczecin Gorzów Wlkp. Bydgoszcz Toruń Poznań Olsztyn Warszawa Białystok W N S E Zielona Góra Łódz Wrocław Opole Katowice Kielce Kraków Lublin Rzeszów miasta województwa SO2 [t/a] 0-0.01 0.01-0.1 0.1-1 1-10 10-31.2
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja PM10 na drogach krajowych w 2005r. Gdańsk Szczecin Gorzów Wlkp. Bydgoszcz Toruń Poznań Olsztyn Warszawa Białystok W N S E Zielona Góra Łódz Wrocław Opole Katowice Kielce Kraków Lublin Rzeszów miasta województwa PM10 [t/a] 0-0.1 0.1-1 1-10 10-50 50-141.1
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Suma emisji NO2 pochodzącej z dróg krajowych w województwach w 2005r. Pomorskie Zachodniopomorskie Kujawsko- Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie W N S E Lubuskie Wielkopolskie Mazowieckie Łódzkie Dolnośląskie Opolskie Śląskie Lubelskie Świętokrzyskie Małopolskie Podkarpackie województwa NO2 [Gg/a] 3-3.5 3.5-4.2 5.1-7.3 7.3-9 11.1-13.9
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Suma emisji SO2 pochodzącej z dróg krajowych w województwach w 2005r. Pomorskie Zachodniopomorskie Kujawsko- Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie W N S E Lubuskie Wielkopolskie Mazowieckie Łódzkie Dolnośląskie Opolskie Śląskie Lubelskie Świętokrzyskie Małopolskie Podkarpackie województwa SO2 [Gg/a] 0.24-0.26 0.26-0.36 0.36-0.46 0.46-0.74 0.74-1.1
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Suma emisji PM10 pochodzącej z dróg krajowych w województwach w 2005r. Pomorskie Zachodniopomorskie Kujawsko- Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie W N S E Lubuskie Wielkopolskie Mazowieckie Łódzkie Dolnośląskie Opolskie Śląskie Lubelskie Świętokrzyskie Małopolskie Podkarpackie województwa PM10 [Gg/a] 0.8-0.9 0.9-1 1-1.6 2-2.7 2.7-4
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Natężenie i struktura ruchu w Sopocie 2008 r.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja NOx ze źródeł liniowych w 2008 roku.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja NOx ze źródeł liniowych w 2008 roku w powiatach
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja PM10 ze źródeł liniowych w 2008 roku.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja PM10 ze źródeł liniowych w 2008 roku w powiatach
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja PM2.5 ze źródeł liniowych w 2008 roku.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO Emisja PM2.5 ze źródeł liniowych w 2008 roku w powiatach.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z ROLNICTWA Informacja o użytkowaniu - CORINE
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z ROLNICTWA Emisja pyłu PM2.5 z rolnictwa w roku 2008.
ROZKŁADY PRZESTRZENNE EMISJI Z ROLNICTWA Emisja PM10 z rolnictwa w roku 2008.