Ship emissions and air pollution in Denmark
Sammenfatning og konklusioner
Baggrund og formål
Skibstrafikken i de danske farvande anses for at spille en betragtelig rolle for luftkvaliteten i de danske byer og i Danmark generelt. Danmarks Miljøundersøgelser har tidligere opstillet estimater for skibstrafikkens betydning for luftforurening (bl.a. Olesen et al., 2008). Disse tidligere estimater er imidlertid behæftet med stor usikkerhed. De er baseret på emissionsopgørelser (opgørelser af udledninger) med ringe geografisk opløsning (50 km x 50 km). Endvidere har de hidtidige emissionsopgørelser været baseret på antagelser, der ikke nødvendigvis afspejler skibstrafikkens reelle sejlmønstre og omfang.
Siden 2006 er skibstrafikkens bevægelser i danske farvande imidlertid blevet registreret i det såkaldte AIS-system. AIS står for Automatic Identification System. Systemet indebærer, at alle skibe over 300 bruttotons er forpligtet til at medføre en såkaldt transponder, der sender information om skibets identitet og position til modtagerstationer på land. Registreringen har gjort det muligt at kortlægge skibsemissioner langt mere detaljeret end tidligere, og denne mulighed er nu blevet udnyttet til at udarbejde en ny emissionsopgørelse for skibstrafikken omkring Danmark.
Den ny AIS-baserede opgørelse af skibsemissionerne har sammen med en lang række andre data dannet grundlag for nye modelberegninger af luftkvalitet i Danmark. Formålet med dette arbejde har været at vurdere bidraget fra skibe til koncentrationen i luften af en række forurenende stoffer. Koncentrationsberegningerne er foretaget med en ny version af luftforureningsmodellen DEHM (Danish Eulerian Hemispheric Model), som har større geografisk detaljeringsgrad end den version, som blev anvendt af Olesen et al. (2008).
Den internationale søfartsorganisation (IMO) har vedtaget regler, som sigter mod at reducere skibstrafikkens forurening med svovldioxid (SO2) og kvælstofoxider (NOX) i årene frem til 2020. Den foreliggende undersøgelse har også haft til hensigt at belyse effekten af disse regler for luftkvaliteten i Danmark ved at gennemføre scenarioberegninger af luftkvalitet for 2020 baseret på de forventede reduktioner af emissionerne.
Der forventes også reduktioner i de landbaserede emissioner af SO2, NOx og partikler i perioden frem til 2020. De estimerede reduktioner af de landbaserede emissioner er inddraget i scenarioberegningerne for 2020.
Som en mindre del af undersøgelsen er der gennemført opdateringer af forskellige tidligere vurderinger af den lokale luftforurening fra skibe i havn.
Undersøgelsen
Undersøgelsen er gennemført af Danmarks Miljøundersøgelser ved Aarhus Universitet. Et hovedelement i undersøgelsen er at der er etableret en ny og forbedret opgørelse af skibemissionerne i farvandene omkring Danmark. Denne opgørelse af skibsemissioner er herefter anvendt til modelberegning af luftkvalitet i Danmark for år 2007. Der er også gennemført beregninger baseret på den gamle emissionsopgørelse. Herved kan kvalitetsforbedring af opgørelsen af skibsemissioner vurderes.
Der er endvidere lavet scenarioberegninger af luftkvalitet i 2011 og 2020 baseret på forventede reduktioner i skibsudledningerne og et estimat for de landbaserede udledninger i 2020, således at effekten af reguleringerne af udledningerne kan vurderes.
Endelig er der udarbejdet vurderinger af den lokale indflydelse af skibeemissionerne på luftkvalitet i danske havne baseret på opdatering af tidligere undersøgelser.
Hovedkonklusioner
Vedrørende emissioner:
- Et af projektets hovedresultater er, at der nu foreligger en ny og forbedret emissionsopgørelse over nationale og internationale skibsemissioner i de danske farvande. Opgørelsen er udarbejdet i gitterfelter på 1 km x 1 km, hvilket giver en god geografisk beskrivelse af emissionerne i de danske farvande. Tidligere opgørelser fra det fælles europæiske luftovervågningsprogram EMEP benyttede gitterfelter på 50 x 50 km. Sammenligning mellem måleresultater og modelberegninger på basis af den gamle (EMEP) og nye emissionsopgørelse (DMU) viser, at den nye opgørelse er væsentligt bedre end den tidligere opgørelse.
- Fra 2007 til 2020 forudses der i farvandene omkring Danmark en reduktion i emissionen af svovldioxid fra skibstrafikken på 91% på trods af øget trafikmængde. Dette skyldes IMO-kravene.
- I samme periode forudses en svag stigning i den absolutte emission af kvælstofoxider (NOX) fra skibstrafik, nemlig med 2%. Uden de IMO-krav for NOX, der forventes at blive indfaset i løbet af perioden, ville stigningen have været 15%, foranlediget af øget skibstrafik. IMO-kravene betyder store NOX-reduktioner for nye skibe fra 2016, så skibsflåden vil gradvis få mindskede NOX-emissioner i årene derefter.
Vedrørende koncentrationer:
- Siden 1990 er der sket en væsentlig reduktion i SO2-emission fra landbaserede kilder, og i årene fremover forventes der en kraftig reduktion fra skibstrafik, samtidig med at der forventes en fortsat reduktion til lands. På basis af scenarioberegningerne forventes SO2-koncentrationen i 2020 som middelværdi i Danmark at være nede på blot 0,3 μg/m³, hvilket er 6% af 1990-niveauet og udgør 1,5% af EU-grænseværdien. I 2007 kommer omkring 33% af SO2-koncentrationen i Danmark fra skibsemissioner, mens dette tal forventes at falde til kun 11% i 2020.
- I tiden frem til 2020 forventes koncentrationen af NO2 i by-baggrunden i København at aftage fra ca. 16 til ca. 9 μg/m³. Faldet skyldes, at der forventes reduktioner i NOX-emissionen fra landbaserede kilder. Derimod bidrager skibstrafikken i absolutte tal nogenlunde lige meget nu og i 2020, fordi øget skibstrafik og skærpede emissionskrav opvejer hinanden. For Danmark som helhed er NO2-koncentrationsniveauet væsentligt lavere end i København, og for Danmark forventes et fald fra ca. 5,5 til ca. 3,5 μg/m³ fra nu og frem til 2020. I øjeblikket kommer ca. 21% af NO2 fra skibstrafik, men procentdelen vil stige frem til 2020 grundet reduktionen for de landbaserede kilder.
- Hvad angår koncentrationen af fine partikler (PM2.5) så er en betydelig del af partikelmængden af ukendt oprindelse. Dette er internationalt anerkendt som værende state-of-the-art. Hvad angår den del, som man er i stand til at redegøre for (her betegnet mPM2.5 for modelberegnet PM2.5; se afsnittet Koncentrationer af partikler her i sammenfatningen for nærmere forklaring), så stammer ca. 1 μg/m³ fra skibe såvel i København som generelt på landsplan. Beregningerne tyder på et fald i skibes bidrag med ca. 0,2 μg/m³ i tiden frem til 2020. Hvad skibes procentvise bidrag til partikelforurening angår, så afhænger talværdien af, hvilket sted man betragter, og hvorvidt man sætter det identificerede skibsbidrag i forhold til mPM2.5 eller den totale koncentration af PM2.5. I forhold til den totale koncentration af PM2.5 vil det procentvise bidrag i f.eks. by-baggrund i København være af størrelsesordenen 7%.
- Sammenligning mellem resultater fra beregning med den gamle (EMEP) og nye emissionsopgørelse (DMU) for skibsudledninger for 2007 viser, at den nye opgørelse giver anledning til et fald i de beregnede koncentrationer på 46% for SO2, 14% for NO2 og 10% for mPM2.5 set i forhold til beregninger med den gamle opgørelse.
- En større andel af skibstrafikken i danske farvande sejler gennem Øresund end antaget ved den gamle emissionsopgørelser (EMEP). Udledningen fra skibe i Øresund er dermed højere end tidligere vurderet. Til gengæld er udledningen fra skibe i Storebælt samt Kattegat markant lavere end hidtil vurderet. For svovldioxid betyder det, at hvor udslippet i Storebælt tidligere blev vurderet at være ca. 11 gange så stort som udslippet i Øresund, vurderes det nu blot at være 2,3 gange så stort. Taget under et er udslippene fra farvandene omkring Sjælland lavere end tidligere antaget, og det resulterende niveau af svovldioxid i luften er lavere end tidligere vurderet – gennemsnittet for Hovedstadsregionen er således beregnet til 1 μg/m³ mod tidligere 1,6 μg/m³.
Vedrørende skibe i havn:
- I Københavns Havn er krydstogtskibe ansvarlige for 55% af NOX-emissionen fra samtlige skibe. Krydstogtskibene giver dog ikke anledning til problemer med at overholde NO2-grænseværdier omkring kajpladserne, og giver ej heller problemer i relation til grænseværdier for PM2.5 og SO2.
- Dog gælder, at hvis der er tale om forholdene i stor højde ved højhuse tæt ved kaj, så må man udføre mere detaljerede undersøgelser for at kunne afgøre, om der potentielt er problemer.
- Afsnit 5.10 angiver nogle yderligere konklusioner vedrørende lokal luftforurening fra skibe i havn.
Projektresultater
Den AIS-baserede emissionsopgørelse
Der er udarbejdet en ny, AIS-baseret, emissionsopgørelse for skibstrafik med stor detaljeringsgrad, både hvad angår den geografiske opløsning, og hvad angår information om forureningen fra de enkelte skibe. Som eksempel viser Figur 1(tv.) den detaljerede emissionsopgørelse for SO2 med en opløsning på 1 x 1 km. Ved modelberegningerne af koncentrationer er imidlertid benyttet en knap så fin opløsning, nemlig på 6 x 6 km, svarende til modellens detaljeringsgrad.
Figur 1 Skibsemissioner af SO2 pr km². Til venstre i henhold til den ny, AIS-baserede emissionsopgørelse med detaljeringsgrad på 1 x 1 km. Til højre i henhold til den tidligere benyttede, hvor emissionen foreligger i felter på 50 x 50 km.
Til sammenligning viser figuren også SO2-emissioner iht. den ældre emissionsopgørelse fra EMEP (2008), der hidtil har dannet grundlag for tilsvarende modelberegninger, og som har en grov opløsning på 50 x 50 km. Den tidligere opgørelse har bl.a. været benyttet ved beregningerne i forbindelse med den danske luftkvalitetsovervågning under NOVANA (Ellermann et al., 2009; Kemp et al., 2008), hvor der dog ikke var specielt fokus på skibstrafik. Den tidligere opgørelse benævnes EMEP-ref (se kapitel 3 og 4). Det fremgår af Figur 1, at den ny AIS-baserede opgørelse i detaljer viser, hvordan skibsruterne fremstår som veldefinerede "veje" til søs, mens de gamle, grovmaskede data indebærer et mere mudret billede, hvor der også forekommer emission fra skibe indenlands, fordi de store gitterfelter dækker både vand og land.
En række andre forskelle er mindre synlige, men betyder noget for emissionerne. I de gamle data blev der regnet med, at skibene sejler med konstant belastning af motoren, mens den ny metode tager hensyn til at der er forskelle i emissionerne, afhængigt af skibets hastighed. Den gamle metode byggede på antagelser om sejlruten mellem havnene, mens AIS-metoden tager udgangspunkt i de faktiske sejlruter, baseret på data fra 24 døgn i 2007.
Den ny metode anses for et væsentligt fremskridt i forhold til den tidligere; dog er der fortsat mulighed for forbedringer – f.eks. udvidelse af området med AIS-signaler og inddragelse af en større mængde AIS-data end de 24 dage, der nu udgør basis for beregningerne.
Forudsætninger for scenarierne
De væsentligste forudsætninger for scenarie-beregningerne er som følger.
- De vedtagne IMO reguleringer for svovl og NOX gennemføres som planlagt. Specielt er det forudsat, at farvandene omkring Danmark udpeges til en såkaldt NOX Emission Control Area (NECA) som defineret af IMO. Østersø-landene forbereder en ansøgning herom. Status som NECA indebærer skærpede krav om NOX-udledninger, specielt for nye skibe efter 2016.
- 2020-scenariet bygger på en forudsætning om uændret skibstrafik frem til 2011 og derefter en stigning på 3,5% pr år for fragtskibe i perioden 2011-2020. Der antages uændret passagertrafik.
- Hvad angår landbaserede emissioner er benyttet et specifikt sæt forudsætninger. Der forventes i nær fremtid fremsat forslag til nyt internationalt direktiv om nationale emissionslofter (NEC-direktivet), som skal være overholdt i 2020. Direktivet er imidlertid ikke fremlagt endnu, så derfor anvendes et scenario for udledninger fra de landbaserede kilder i Europa i 2020, der er sammensat ud fra EU’s temastrategi for ren luft i Europa (se bl.a. Bach et al., 2006) og scenarier for EU-27 udarbejdet af International Institute for Applied Systems Analysis (Amann et al., 2008), som led i det forberedende arbejde i forbindelse med et nyt NEC-direktiv. Detaljer findes i afsnit 4.4.
Emissioner i henhold til scenarierne
Figur 2 viser brændstofforbrug samt emissioner fra skibstrafik for de tre scenarieår 2007, 2011 og 2020 i farvandene omkring Danmark - nærmere bestemt det område, der er farvet i Figur 1 tv.
Figur 2 Brændstofforbrug (Petajoule) samt emissioner fra skibstrafik i farvandene omkring Danmark (jvnf. Figur 1) for de tre scenarieår 2007, 2011 og 2020.
Der beregnes en vækst på 15% i brændstofforbruget fra 2007 til 2020, hvilket er et resultat af øget trafikmængde (36% forøgelse for fragtskibe og uændret passagertrafik), kombineret med at motorerne i skibsflåden gradvis bliver mere effektive.
For kvælstofoxider (NOX) forventes en svag stigning i emissionen på 2% fra 2007 til 2020. Uden strengere krav til emissionerne ville stigningen have svaret til forøgelsen i brændstofforbrug (15%). Resultatet af IMO-restriktionerne er altså en gennemsnitlig reduktion i NOX-emissionerne på 11% per kg brændstof. Sådanne reduktioner fortsætter efter 2020.
For svovldioxid (SO2) forudses fra 2007 til 2020 en reduktion på 91%, mens reduktionen for primær PM2.5 er 54%. Primære partikler udgør kun en lille del af den mængde partikler, man finder i luften (se afsnittet Koncentrationer af partikler her i sammenfatningen for forklaring af primære og sekundære partikler).
De mest markante reduktioner i skibsemissionerne sker for SO2. Disse reduktioner illustreres på kortene i Figur 3. Kortene giver et overblik over skibstrafikken omkring Danmark. Meget synlige er hovedskibsruterne fra den Botniske Bugt til Nordsøen, de større indenlandske færgeruter, samt færgeruterne der forbinder Danmark, Sverige, Tyskland og Polen.
Koncentrationer af svovldioxid
Hvad angår forurening med SO2 har skibstrafik hidtil været en meget markant kilde. Fra ca. 2007 har skibe i Østersøen og Nordsøen været underlagt et krav om at svovlindholdet i olien højst må være 1,5%, mens det tidligere typisk var 2,7% (sektion 3.1). Skibstrafik fremstår dog stadig som en væsentlig kilde, sammenlignet med kilder på landjorden. Figur 4 viser beregnede koncentrationer af SO2, dels for en 2007-situation (med 1,5% svovl), dels for situationen i 2020. I 2020 vil svovlkravet være betydeligt skærpet, nemlig til 0,1%, og det afspejler sig tydeligt i koncentrationen i luften.
Siden 1990 er der sket en væsentlig reduktion af SO2-emission fra landbaserede kilder, og reduktionen forventes at fortsætte. Resultatet vil i 2020 være, at SO2-koncentrationen som middelværdi i Danmark vil være nede på blot 0,3 μg/m³, hvilket er 6% af 1990-niveauet.
Figur 5 viser det relative bidrag fra skibstrafik - i forhold til samtlige kilder - til koncentrationsniveauet af SO2 samt flere andre forureningskomponenter. Der er tale om et gennemsnit over hele Danmark. Figuren viser resultater fra to sæt beregninger: Dels beregninger på grundlag af den nye, mere præcise emissionsopgørelse (betegnet AIS-2007), dels på grundlag af den ældre opgørelse fra EMEP (betegnet EMEP-ref).
Den ny opgørelse adskiller sig fra den gamle på flere måder: den forudsætter at svovlprocenten i brændslet er 1,5%, mens den gamle refererede til situationen før 2007 og benyttede 2,7%; den ny har højere geografisk opløsning; den er baseret på mere korrekte skibsruter end den gamle; og den bruger mere realistiske data for skibenes motorbelastning. Alle disse faktorer tilsammen betyder, at den ny opgørelse fører til lavere emissioner. Reduktionen er mest markant for svovldioxid og primær PM2.5, men gør sig også gældende for de andre forureningskomponenter. Hvor det på grundlag af den ældre emissionsopgørelse fra EMEP blev vurderet at skibe stod for 68% af SO2-niveauet i Danmark, er andelen nede på 37% i henhold til den ny opgørelse.
Figur 5 Relativt bidrag fra skibe til koncentrationsniveauet i luften af forskellige forurenende stoffer. Farven på søjlerne viser, hvilken emissionsopgørelse der ligger til grund for de beregnede koncentrationer. De lyseblå søjler betjener sig af den nye, mere præcise opgørelse ("AIS-2007"). De mørkeblå af den ældre emissionsopgørelse fra EMEP ("EMEP-ref").
Koncentrationer af NO2
Det er ved beregningerne forudsat, at farvandene omkring Danmark udpeges til et såkaldt NOX Emission Control Area, som defineret af IMO, hvor der gælder skærpede NOX-krav. Det mest markante krav gælder nye skibe fra 2016, hvor der kræves 80% reduktion af NOX-udledningen. Der er andre, mindre vidtgående krav til ældre skibe.
Resultatet af beregningerne er, at IMO-kravene ikke formår at opveje den forudsete stigning i skibstrafikken. I år 2020 forudses stort set samme niveau af NOX-emissioner fra skibsfart som i 2007-situationen. Efter 2020 vil IMO-kravene formentlig ytre sig i lavere skibsemissioner, men det er ikke tilfældet i 2020. Derimod sker der markante ændringer på land i henhold til det ovennævnte scenario for emissionerne i 2020.
Resultatet ses i Figur 6. NOX leder til dannelse af NO2, som der gælder sundhedsrelaterede grænseværdier for. Figur 6 viser beregnede koncentrationer af NO2, dels for en 2007-situation, dels for situationen i 2020. De store skibsruter forbliver særdeles synlige, mens koncentrationen på landjorden aftager. Andelen af skibes bidrag til NO2-koncentrationsniveauet er i 2007 21%, mens den vil stige til 34% i 2020 - fordi de øvrige kilders emission reduceres.
Det er et meget interessant resultat af beregningerne, at bybaggrundsniveauet af NO2 i København forventes at falde med ca. 7 μg/m³ i tiden fra 2007 til 2020. NO2-niveauerne på mange københavnske gadestrækninger overstiger EU's grænseværdi på 40 μg/m³, og i lyset heraf er et så stort fald i baggrundsniveauet interessant.
Koncentrationer af partikler
Fine partikler med en diameter på mindre end 2,5 mikrometer betegnes som PM2.5. Man kan yderligere sondre mellem forskellige typer partikler, der indgår i PM2.5. Primære partikler forefindes som partikler umiddelbart efter at de har forladt kilden. Sekundære partikler er derimod partikler, der ikke er "født" som partikler, men er dannet ved omdannelse af gasarter - typisk mange timer efter at forureningen er sendt ud i atmosfæren. De sekundære partikler kan yderligere underopdeles i sekundære uorganiske og sekundære organiske.
Skibes udledning af SO2 og NOX giver anledning til dannelse af sekundære uorganiske partikler, og hele denne mekanisme indgår i den benyttede luftforureningsmodel, DEHM. Hvad angår de sekundære organiske partikler har man ikke tilstrækkelig viden til at kunne beskrive dem modelmæssigt. Dette gælder også på internationalt niveau (se bl.a. Yttri et al., 2009). Derfor beskriver modellen kun en delaf den mængde partikler, man finder i atmosfæren, nemlig primære og sekundære uorganiske partikler. I rapporten omtales denne del som mPM2.5.
Figur 7 viser beregnede koncentrationer af mPM2.5. PM2.5 kan transporteres over store afstande, mens SO2 og NO2 ikke har lige så lang levetid. Derfor adskiller det geografiske mønster i Figur 7 sig markant fra mønstret i de foregående figurer. Skibenes forurening er ikke synlig, mens det er markant, at forurening fra det centrale Europa gradvis klinger af hen over Danmark. Skibstrafikkens bidrag til mPM2.5 er 18%, mens bidraget set i forhold til atmosfærens totale PM2.5-niveau er en del mindre. Det vurderes at i forhold til total PM2.5 i København er skibstrafiks bidrag omkring 4-7%, afhængigt af om man betragter luften i en trafikeret gade eller i by-baggrund (dvs. væk fra selve gaden).
Frem til 2020 vil der ske en reduktion af det generelle niveau af mPM2.5 over Danmark på lidt over 2 μg/m³, hvilket hovedsagelig skyldes reduktion i landbaserede emissioner.
Version 1.0 October 2009, © Danish Environmental Protection Agency