Bränsleanalys
Syftet med detta regeringsuppdrag var att belysa skillnader i hälso- och
miljöpåverkan av att använda diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3. Som beskrivs ovan så regleras respektive miljöklass av vissa parametrar, vilka anges i ett intervall, det vill säga att det finns en stor variation i exakt hur en diesel av miljöklass 1 respektive miljöklass 3 ser ut.
För att genomföra emissionsmätningarna inom regeringsuppdraget vad det nödvändigt att införskaffa diesel av miljöklass 1 respektive miljöklass 3. De exakta specifikationerna för dessa togs fram i samråd med Svenska Petroleum och
Biodrivmedelsinstitutet, vilket även involverade flera av dess medlemmar i form av Statoil, St1, OKQ8 och Preem. Diesel av miljöklass 1 levererades av OKQ8 medan diesel av miljöklass 3 levererades av Preem. Några utvalda egenskaper på de aktuella bränslena redovisas i Tabell 10.
Tabell 10. Specifikationer för miljöklass 1 och miljöklass 3
Egenskap Enhet Miljöklass 1 Miljöklass 3 Analysmetod
Kolinnehåll % m/m 85,0 86,0 ASTM D 5291-10
Cetantal - 56,0 52,3 SS-EN ISO 5165:1998
Cloud point °C -30 -11 SS-EN 23015:1994
Densitet vid 15°C kg/m3 819,5 840,3 SS-EN ISO 12185 T1:99 FAME innehåll % V/V 6,9 6,5 SS-EN 14078:2009 Energiinnehåll MJ/kg 42,75 42,59 SS 15 51 38:1992 Aromatinnehåll % V/V 4,0 18,4 EN 12916:2006
PAH innehåll % m/m 0,3 4,7 EN 12916:2006
Svavelinnehåll mg/kg <3 4 SS-EN ISO 20846:2004 Till skillnad mot den normala analysen av polycykliska aromatiska föreningar i
diesel av miljöklass 1 enligt SS 15 54 35, tri+aromater, har vi valt att genomföra analysen i enlighet med metodiken i EN 590, di+aromater (Swedish standards institute, 2011; 2011). Detta för att kunna jämföra de olika analyserade
egenskaperna hos båda bränslena.
En mer detaljerad analys av miljöklass 1 och miljöklass 3 bränslena som använts i detta regeringsuppdrag finns redovisade i bilaga B.
Från bränsleanalysen kan man beräkna vissa teoretiska skillnader i bränsleförbrukning och utsläpp av koldioxid. I bilaga C finns de teoretiska beräkningar redovisade.
Beräkningarna visar att bränsleförbrukningen i liter teoretiskt borde vara 2,1 procent lägre med miljöklass 3. Samtidigt visar beräkningarna att
massförbrukningen borde vara 0,4 procent högre. Detta förklaras med att miljöklass 3 diesel, enligt genomförda analyser, har högre densiteten men obetydligt lägre energiinnehåll.
För CO2 visar beräkningarna att de teoretiska utsläppen ökar med 1,2 procent per kg diesel, 3,7 procent per liter diesel samt 1,6 procent per MJ diesel med miljöklass 3 jämfört med miljöklass 1. Då det sannolikt inte är några skillnader i
energianvändningen mellan de olika bränslekvaliteterna motsvarar
utsläppsskillnaden per MJ utsläppsskillnaden per km. Anledningen till att utsläppen är högre för miljöklass 3 förklaras med att det högre kolinnehållet och högre
densitet.
Avgasemissioner
Analysen av utsläpp och bränsleförbrukning från vägfordon och arbetsmaskiner är uppdelad i tre delar; utsläpp från hela fordons- och arbetsmaskinparken,
litteraturstudie av skillnaderna i utsläpp mellan miljöklass 1 och miljöklass 3 samt emissionsmätningar med miljöklass 1 och miljöklass 3. Utsläpp från hela fordons- och maskinparken baseras på de data som används för att bedöma nationella utsläpp och representerar en situation där miljöklass 1 diesel används. Litteraturstudien och de kompletterande emissionsmätningarna syftar till att analysera skillnader i utsläpp mellan miljöklass 1 och miljöklass 3 för olika typer av utsläppsklasser för vägfordon och arbetsmaskiner.
Litteraturstudie
Trafikverket genomförde på eget initiativ en förundersökning i form av en
litteraturstudie under 2010 rörande utsläpp från tunga fordon och arbetsmaskiner (Danielsson, D. och Erlandsson, L. 2010a och 2010b). Syftet med den studien var att jämföra utsläppen från fordon tankade med diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3. Inom regeringsuppdraget genomfördes ytterligare en litteraturstudie inom samma område (Eriksson, L. 2012). Orsaken till den senare studien var dels att komplettera med utsläppsdata för personbilar som inte ingick i studien från 2010 och dels att undersöka huruvida några ytterligare relevanta mätningar genomförts sedan 2010. Nedan följer en redogörelse av resultaten från litteraturstudierna, den intresserade läsaren hänvisas till respektive rapport.
En viktig begränsning i ovan angivna rapporter var att enbart litteraturkällor som använt både diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3 i samma studie skulle omfattas. Vidare skulle specifikationerna för dessa två bränslekvaliteter motsvara dagens specifikation av miljöklass 1 eller SS 15 54 35 respektive miljöklass 3 eller EN 590 (Swedish Standards Institute, 2010; 2011). Orsaken till detta var att utsläppsdata från äldre specifikationer inte är representativa för dagens situation. Exempelvis är det inte relevant att jämföra data från tidigt 1990-tal då miljöklass 3 diesel fick innehålla 2 000 ppm svavel.
Endast ett fåtal relevanta studier hittades, samtliga rörande relativt gamla motortekniker. För personbilar, Euro 3, var skillnaderna i utsläpp av kväveoxider mellan diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3 försumbara. Detta gäller bilar både
med och utan partikelfilter (DPF). Utsläppen av partiklar minskade med mellan 20 och 40 procent med miljöklass 1 för personbilar utan DPF. Med DPF var det inte längre möjligt att detektera några skillnader i utsläpp av partiklar från diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3.
För personbilar utan DPF och katalysatorer förekom relativt stora skillnader i utsläppen av oreglerade ämnen. Utsläppen av polycykliska aromatiska kolväten minskade med 70 procent med användandet av miljöklass 1 diesel jämfört med miljöklas3. Även utsläppen av bensen och avgasernas mutagenicitet minskade kraftigt. För motsvarande fordon med katalysator minskade skillnaderna.
Resultaten från tunga fordon visade att utsläppen av kväveoxider minskar med ca 10 procent med miljöklass 1 jämfört med miljöklass 3. Denna relativa skillnad verkar bestå mellan olika utsläppsklasser, Euro-klasser. Dock minskar de absoluta
utsläppen med högre Euro-klasser. Några mätningar visade på högre skillnader, upp till 25 procent. Dessa mätningar var antingen genomförda på modifierade motorer eller på prototyper för nya Euro-klasser. Detta, tillsammans med de låga absoluta utsläppen, resulterar i att tillförlitligheten i data är ganska låg.
Utsläppen av partiklar minskade med mellan 20 och 30 procent i flertalet mätningar. Variationen var större för högre Euro-klasser vilket sannolikt kan förklaras med variationen i vald teknik för avgasrening. I litteraturdata var det inte möjligt att utläsa vilken teknik som nyttjas; avgasåterföring (EGR), katalytisk rening (SCR) eller DPF.
Den största skillnaden i utsläpp från tunga motorer drivna med diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3 förekom för PAH. Med miljöklass 1 diesel minskade utsläppen med mellan 40 och 90 procent beroende på olika mätningar, körcykler. Det fanns ingen tydlig trend att skillnaden i utsläpp minskade eller ökade med förändrad Euro-klass. Litteraturunderlaget är dock mycket begränsat.
För arbetsmaskiner fanns i princip endast data för Steg I motorer. Variationen i dessa mätningar var relativt stor vilket gör det svårt att dra några direkta tolkningar. Dock är motortekniken i tunga fordon och arbetsmaskiner snarlik vilket möjliggör en jämförelse mellan de två kategorierna av motorer.
Ett generellt resultat var att lägre halt av polycykliska aromatiska föreningar i bränslet resulterade i något lägre utsläpp av partiklar, framförallt för äldre motorer. Denna trend var inte lika tydlig för nyare motortekniker. Samtidigt visar studierna att den i särklass effektivaste åtgärden att minska utsläpp av partiklar är att nytta ett partikelfilter.
Från litteraturstudien kan följande slutsatser göras:
• För moderna personbilar utrustade med partikelfilter är det inte möjligt att påvisa några signifikanta skillnader i emissionerna mellan användandet av diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3 med undantag för utsläpp av
koldioxid vilket bland annat bestäms av energi- och kolinnehåll i respektive bränsle,
• I litteraturen finns tillräckligt med data för tunga motorer från pre-Euro upp till och med Euro III. För nyare motorer behövs ytterligare data. För motorer upp till och med Euro III minskar utsläppen i genomsnitt med knappt 30 procent för partiklar och med ca 10 procent för kväveoxider vid användandet av miljöklass 1 jämfört med miljöklass 3
• Utsläppen av polycykliska aromatiska kolväten uppvisade kraftigt lägre värden med miljöklass 1 jämfört med miljöklass 3. Skillnaden varierade mellan 40 och 90 procent.
• Kompletterande data behövs för nyare motorer för lätta fordon, tunga fordon och arbetsmaskiner.
Emissionsmätningar
Lätta fordon
För personbilar, där litteraturdata indikerade att det sannolikt inte förekommer några signifikanta skillnader i emissioner mellan miljöklass 1 och miljöklass 3, testades bara ett fordon. Kravet vid val av fordon var att det skulle uppfylla senaste Euro-klass (Euro V), representativt för svenska marknaden och utrustat med ett partikelfilter som inte kräver några additiv för regenerering.
Baserat på de kriterierna valdes en mellanklassbil, Volkswagen Golf med en 1,6 liters motor. Bilen var utrustad med DPF, EGR och en dieseloxidationskatalysator (DOC). Inför emissionsprovet hade bilen gått drygt 27 000 km. Fler uppgifter om bilen och emissionsmätningarna finns beskrivet av Eriksson et al. (2012).
Totalt användes två olika typer av testcykler i emissionsproven, UDC som är den första delen av NEDC som redovisats i Figur 3 ovan och Common Artemis Driving Cycles (CADC). Common Artemis Driving Cycles (CADC) är en körcykel som ofta används i vetenskapliga sammanhang, Figur 14 (Elst et al., 2006).
Körcykeln i Figur 3 är baserad på verkliga körningar men kraftigt förenklad med konstanta accelerationsförlopp följt av korta partier med jämn hastighet. CADC består av tre separata delar vilka representerar vanliga körmönster i staden, på landbygden och på motorvägen. För motorvägsdelen finns två varianter, en men en maxhastighet av 130 km/h och en med en maxhastighet av 150 km/h.
Figur 14. Common Artemis Driving Cycles (CADC) för personbilar
Båda cyklerna kördes med en omgivningstemperatur på ca 22 °C. Dessutom gjordes ett lågtemperaturprov, -7 °C, med UDC cykeln. Samtliga körcykler genomfördes två gånger, UDC kördes som en dubbelcykel var gång, för varje bränsle.
Mätningarna genomfördes av TUV NORD i Essen under mars månad 2012. Information om TUV NORD:s emissionslaboratorium och chassidynamometer för provning av personbilar finns beskrivet i provrapporten (Eriksson et al., 2012). Utsläppen av reglerade komponenter, bränsleförbrukning och CO2 analyserades direkt på plats medan övriga ämnen samlades upp och skickades till analys hos en organisation utanför TUV NORD. Analyserna av PAH genomfördes på Institutionen för analytisk kemi vid Stockholms Universitet medan aldehyder, ketoner och alkener analyserades av IVL i Göteborg.
Mätningarna visade endast mindre, icke signifikanta, skillnader förutom vid ett av kallproven med miljöklass 1 där utsläppen var markant högre. Detta kunde dock förklaras med att dieselpartikelfiltret regenererade under den provpunkten.
Regenereringen hade inget att göra med egenskaperna hos dieselbränslen utan är en motorteknisk åtgärd.
Generellt sett var utsläppen av kväveoxider relativt höga, speciellt med tanke på att fordonet uppfyller kraven för Euro V. Det var dock inte några signifikanta skillnader i utsläpp av kväveoxider mellan miljöklass 1 och miljöklass 3 diesel.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Ha sti gh et, km /h Tid, s Maxhastighet 130 km/h 43
Figur 15. Utsläpp av partiklar från personbil
För partiklar var skillnaderna något högre, Figur 15. Trots detta är det inte möjligt att hitta några signifikanta skillnader. Detta kan dels förklaras med den metod som föreskrivs i EU:s regelverk för mätning av partiklar dels med att det skedde en regenerering av partikelfiltret vid mätningarna med miljöklass 1. Mätmetoden är en gravimetrisk metod där partiklar samlas upp på ett filter. Filtret vägs före
mätningen startar och efter att mätningen slutförts. Skillnaden i massa anger hur mycket partiklar som motorn släpper ut. I och med att motorn var försedd med partikelfilter är utsläppen mycket låga vilket leder till en förhållandevis stor osäkerhet i mätresultatet.
I Figur 15 har de mätningar som inkluderade regenereringsförloppet tagits bort. Dock kan man fortfarande se effekterna av regenereringen genom att variationen för miljöklass 1 är större. Detta beror på att när filtret just har regenererat så fungerar filtreringen inte lika bra som när det finns ett lager av partiklar på ytan av
partikelfiltret.
Totalt 18 olika PAH föreningar mättes i testerna med personbilen. Av dessa var 12 nära eller under detektionsgränsen för de metoder som användes. De resterande fyra ämnena, 2-metylphenantren, 3-metylphenantren, phenantren och anthracen, förekom i nivåer av nanogram per km. Halten varierade i regel mellan 400 och 800 nanogram per km för både miljöklass 1 och miljöklass 3. Samma trend gällde för PAH i både gasfas och partikelbundet. Inga signifikanta skillnader mellan bränslena kunde läsas ut.
Mätningarna av alkener, alkaner, aldehyder med flera (totalt 30 olika ämnen) visade tydliga skillnader i utsläpp mellan kallstart vid låga temperaturer och vid körning med varm motor när katalysatorn nått sin tändtemperatur. Med en katalysator som ännu inte nått sin arbetstemperatur var utsläppen ca 6 gånger högre än vid körning med en fungerande varm katalysator. Inga signifikanta skillnader uppmättes i utsläppen mellan miljöklass 1 och miljöklass 3 med undantag för aldehyder där resultaten indikerar på något lägre utsläpp med miljöklass 1 vid kallstart.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Ut slä pp a v pa rt ik la r, m g/ km 44
För bränsleförbrukning och utsläpp av CO2 kunde små men signifikanta skillnader påvisas. För CO2 ökade utsläppen med cirka 1,3 procent med miljöklass 3 jämfört med miljöklass 1. Detta stämmer väl överens med de förväntade, teoretiska, skillnaderna baserat på respektive bränsles egenskaper i form av energi- och kolinnehåll på 1,6 procent. Det finns inget i emissionsmätningarna som tyder på att energiverkningsgraden i motorn ska skilja mellan de två studerade bränslena. I realiteten är det dock inte så enkelt att bara titta på gränsvärdena i certifiering. Det finns en rad effekter som påverkar de verkliga utsläppen så som körsätt, skick på fordonet och last. Dessutom har det visat sig att det finns möjligheter att optimera fordonet för den testprocedur som är föreskriven i regelverket. Detta kan leda till att det förekommer skillnader mellan förväntade utsläpp enligt gränsvärdet och
verkliga utsläpp vid användning av fordonet.
Tunga fordon
För tunga fordon visade litteraturstudien att det fanns tillräckligt med
emissionsdata för motorer upp till och med Euro III för att bedöma effekterna av skillnader i utsläpp mellan diesel av miljöklass 1 och miljöklass 3. Däremot saknades tillförlitliga mätningar för motorer som uppfyller kraven för Euro IV eller bättre. Då trafikarbetet med tunga fordon med motorer som uppfyller Euro IV relativt
begränsat jämfört med tunga fordon med motorer som uppfyller Euro V under tidsperioden från 2010 fram till och med 2020 valdes två fordon som uppfyller Euro V ut för emissionstester (Almén, 2012). Några tunga fordon med motorer som uppfyller Euro VI testades inte på grund av att det inte fanns några representativa fordon eller motorer att tillgå.
Tabell 11. Beskrivning av tunga fordon för emissionsmätningar
Fordon 1 Fordon 2
Modell Volvo FH 6*2 Scania R480 6*2
Årsmodell 2011 2010
Motoreffekt, kW 375 353
Kilometerställning 10 000 130 000
Utsläppsklass Euro V Euro V
Teknik för avgasrening SCR EGR
I likhet med kraven för lätta fordon sattes ett antal kriterier upp för urval av fordon. I grunden motsvarande krav som gäller vid hållbarhetsprovningar (Vägverket, 2008) samt att fordonen ska vara representativa för den svenska marknaden och uppfylla kraven för Euro V. Dessutom skulle ett av fordonen vara utrustat med EGR, avgasåterföring för att minska utsläppen av kväveoxider. Det andra fordonet skulle i sin tur vara utrustat med SCR, katalytisk rening av kväveoxider med hjälp av urea. De valda fordonen finns beskrivna i Tabell 11.
Figur 16. WHVC, körcykel för tunga fordon i chassidynamometer
För varje fordon genomfördes både kallstarts- och varmstartsprov med WHVC. Målet var att genomföra två kallprov och två varmprov per fordon. För motorn med SCR var det, av mättekniska orsaker, endast möjligt att analysera mätresultat från den ena av de två kallstartsproven. Däremot genomfördes ett extra varmstartsprov, totalt 3, per bränslekvalitet för motorn med SCR.
Enligt EU:s regelverk viktas resultaten från kallstartsprovet, 10 procent, och varmstartsprovet, 90 procent, samma till ett värde. Nedan redovisas kortfattat utvalda delar av de viktade resultaten från emissionsmätningarna, detaljerade data finns redovisat i Almén, J (2012).
Enligt litteraturstudierna var det rimligt att anta att utsläppen av kväveoxider skulle vara något högre med miljöklass 3 jämfört med miljöklass 1. Resultaten från
emissionsmätningarna visade dock på en delvis annan trend. Mätningarna på motorn med EGR visade på ca 10 procent lägre utsläpp med miljöklass 3, medan resultaten från SCR motorn visade på 10 procent högre utsläpp med miljöklass 3. Samtliga individuella mätningar indikerade på samma trend, även efter att hänsyn har tagits till variationerna i mätningarna. I genomsnitt varierade resultaten från mätningarna av kväveoxider mindre än 10 procent. Även kvoten mellan miljöklass 3 och miljöklass 1 varierade med mindre än 10 procentenheter.
Utsläpp av partiklar mättes med en rad olika metoder, filtermetoden (gravimetrisk), realtidsmätning med TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance)
instrument och masspektrometer. För motorn med EGR visade mätningarna med filtermetoden att utsläppen ökade med drygt 40 procent vid användandet av miljöklass 3 jämfört med miljöklass 1. Med de andra metoderna var skillnaden större, upp till 80 procent. Inom respektive metod var variationen mellan de individuella mätningarna mycket låg, cirka 2 procent för filtermetoden.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Ha sti gh et, km /h Tid,s 46
För motorn med SCR var skillnaden mellan bränslena mindre, med miljöklass 3 ökade utsläppen av partiklar med mellan 15 och 20 procent. Filtermetoden, som är den enligt EU:s regelverk för fordonsemissioner föreskrivna metoden, uppvisade den minsta skillnaden, 15 procent, och en variation i mätningarna på under 5 procent.
Skillnaderna i utsläpp av antal partiklar relativt låga och det var inte möjligt att hitta några signifikanta skillnader mellan miljöklass 1 och miljöklass 3 för någon av de studerade metoderna. Även om medelvärdet indikerade på mindre skillnader så var variationen mellan olika mätningar inom ett och samma bränsle större än
skillnaden mellan bränslena.
Totalutsläppen av PAH var mycket högre, nästan fyra gånger högre, med miljöklass 3 än med miljöklass 1 för motorn med EGR. För de enskilda PAH föreningarna var skillnaden störst för 2-metylanthracene där utsläppen med miljöklass 3 var mer än 15 gånger högre. Både de absoluta utsläppen och skillnaden mellan miljöklass 1 och miljöklass 3 var lägre med SCR motorn. Jämfört med miljöklass 1 ökade de totala utsläppen av PAH med nästan 60 procent vid användandet av miljöklass 3 för SCR motorn.
Även om syftet med dessa emissionsmätningar inte var att jämföra utsläppen mellan de olika motorerna är det värt att nämna den stora skillnaden i utsläpp av PAH, främst med miljöklass 3, mellan en motor utrustad med EGR och en utrustad med SCR. Utsläppen från motorn med EGR var nästan 50 gånger högre. Detta indikerar att avgasreningstekniken har en avgörande roll för utsläppen av vissa polycykliska aromatiska kolväten.
Av PAH föreningarna med störst hälsopåverkan, benso(a)pyren och
dibenso(a,l)pyren, var utsläppen 60-80 procent högre med miljöklass 3 för motorn med SCR. Motsvarande skillnad för motorn med EGR var 120-130 procent. Av alla analyserade PAH föreningar var utsläppen högre med miljöklass 3. Det ska dock nämnas att koncentrationerna är relativt låga för många av ämnena och variationen i upprepningarna stor.
För aldehyder var variationerna stora i förhållande till skillnaden mellan bränslena. För den ena motorn ökade utsläppen med cirka 15 procent med miljöklass 3. Variationen var dock mellan en minskning på 15 procent och en ökning på 45 procent. För den andra motorn minskade utsläppen av aldehyder med knappt 10 procent i genomsnitt med miljöklass 3. Även i detta fall var variationen större än skillnaden, från en minskning på 40 procent till en ökning på 40 procent. Detta indikerar att det sannolikt inte är några större skillnader i utsläpp av aldehyder mellan miljöklass 1 och miljöklass 3. Även för de enskilda ämnena var skillnaderna ganska små. För den ena motorn, med SCR, har det sannolikt skett någon form av kontaminering vilket har påverkat analysen av Eten, Propen, 1,3-Butadien och Benzen. Erhållna värden är orimligt höga och har därav inte ingått i bedömningen av skillnader i hälso- och miljöpåverkan mellan miljöklass 1 och miljöklass 3.
För båda motorerna var skillnaden i bränsleförbrukning och utsläpp av CO2 i paritet med den teoretiska skillnaden. Utsläppen av CO2 ökade med mellan 1,4 och 1,8 procent medan bränsleförbrukningen, i liter per km, minskade med mellan 1 och 2