Rapport om utsläpp från tunga dieselfordon samt de nya standarder för CO2 och tunga fordon i USA

Sammanfattning av rapport om kostnaden för att reducera emissioner för tunga fordon
skrivet av Martin Borgqvist (SP)
Utsläpp från tunga dieselfordon
Tunga dieseldrivna fordon stod 2010 för ca 80 % av globala utsläpp av kväveoxider (NOx) och partiklar (PM, även kallat sot) från vägtransporter. Dessa utsläpp orsakar hälsoproblem och bidrar till växthuseffekten. NOx bildas vid förbränning då kvävgas (N2) i luften oxideras vid hög förbränningstemperatur i motorn. PM bildas vid ofullständig förbränning i dieselmotorn. Även kolväten (HC) och kolmonoxid (CO) bildas vid ofullständig förbränning. Utsläppskraven tunga dieselfordon definieras i standarder, i Europa för närvarande Euro IV och i USA US 2010. Tidigare utsläppsstandarder är Euro I, II, III, IV samt V, respektive US 2004 och US 2007. På flera andra fordonsmarknader används ekvivalenta standarder till de som används i Europa och USA.
Rapporten sammanfattar kraven i de olika emissionsstandarderna och beskriver även vilka tekniker som används för att möta kraven, se t.ex. figurerna 8 och 9 samt tabellerna 3 och 4.
Kraven i Euro VI är 0.4 g NOx/kWh och 0.01 g PM/kWh, dessutom har det införts ett krav på antal partiklar som får släppas ut under testcykeln; max 8.0 *10^11 stycken.
Kraven i US 2010 är 0.27 g NOx/kWh och, som jag tolkar det, samma krav på PM som i US 2007; 0.013 g PM/kWh.
Då olika körcykler används i de bägge standarderna, är kravgränserna inte direkt jämförbara. Euro VI använder World Harmonized Transient Cycle och World Harmonized Stationary Cycle istället för European Transient Cycle och Stationary Cycle som användes för Euro III till V. US 2010 använder den Federal Test Procedure Cycle som är transient.
Tekniker för att minska utsläpp
Om man skall förenkla lite så kan man säga att i en dieselmotor så sker förbränning antingen vid hög temperatur som ger mer NOx men mer fullständig förbränning och därmed mindre PM och bättre bränsleekonomi. Eller så sker förbränning vid lägre temperatur vilket ger mindre NOx, men mer PM och sämre bränsleekonomi pga mer ofullständig förbränning. Detta kan styras genom att kontrollera när insprutning av diesel sker (fuel timing).
Det finns i princip tre strategier för att reducera utsläppen från tunga dieselfordon, dessa beskriv mer ingående i rapporten, nedan är en kort sammanfattning:
– Åtgärder i motorn som går ut på att minska bildningen av utsläppen, detta inkluderar:
— Förbättrade insprutningssystem: genom att styra tryck, hastighet och tidpunkt för insprutning så kan en önskad trade-off mellan NOx och PM uppnås.
— Förbättrad luftbehandling: högre tryck på förbränningsluften minskar både NOx och PM.
— Avgasrecirkulering (EGR – Exhaust Gas Recirculation): återcirkulationen av en del av avgaserna späder förbränningsluften och sänker temperaturen vilket ger mindre NOx.
– Avgasefterbehandling, som går ut på att ta bort utsläpp som bildats i motorn:
— Selective Catalytic Reduction (SCR): en katalytisk reduction av NOx till kvävgas med hjälp av ammoniak som tillförs systemet som urea (AdBlue) vilket fylls i en separat tank på fordonet (ammoniak är alldeles för otrevligt och giftigt för att ha ombord på ett fordon). För att hantera eventuella ammoniakrester efter SCR kan en Ammonia Slip Catalyst (ASC) användas. Andra tekniker för urea-tillförsel finns under utveckling, t.ex. för urea i fast form (AdAmmine) som utvecklas av företaget Amminex.
— Diesel oxidation catalyst (DOC): oxiderar HC och CO och lösliga organiska partiklar till CO2.
— Diesel particulate filters (DPF): ett filter som fångar fasta partiklar. Detta filter behöver regenereras emellanåt för att få bort PM, vilket kan göras passivt med NO2 eller aktivt med diesel.
– Systemkontroll, som innebär att motor samt tekniker för utsläppsminskning kan styras och optimeras baserat på sensordata, dvs. mätningar av utsläpp ombord på fordonet.
De olika teknikerna för utsläppsprevention kombineras för att nå olika utsläppskrav. Dock så kan systemintegrationen vara komplicerad t.ex. då vissa tekniker ställer temperaturkrav som kan påverka vilka katalysatorer som kan användas. En trend nu är integrerade system för efterbehandling, där tekniker för både NOx och PM-reduktion kombineras i en och samma enhet, t.ex. SCR och filter. För att klara Euro IV eller V används typiskt en kombination av DOC och SCR, se figur 4 i rapporten. För att klara US 2007 används typiskt DOC i kombination med DPF (figur 5 i rapporten), där dessa antingen kan vara två separata komponenter eller integrerade i en och samma enhet. De senaste utsläppskraven Euro VI och US 2010 kräver strikt kontroll av NOx, PM,CO och HC. Testcyklerna anses vara någorlunda representativa för verkliga förhållanden. Då kraven i de bägge standarderna är likartade (dock ej direkt jämförbara pga att olika körcykler används), använder globala tillverkare liknande strategier för att klara bägge standarder. Detta innebär typiskt högtrycks- variabel insprutning, kyld EGR samt ett system för efterbehandling bestående av DOC, DPF, SCR och ASC i serie (se figur 6 i rapporten).
Det har visat sig att de flesta fordon som certifierats för att möta Euro IV och V har högre verkliga NOx-utsläpp än kravgränserna. Detta har belagts genom att testa fordonen på andra körcykler. Fordon certifierade för Euro VI och US 2010 verkar dock ha verkliga utsläpp under kravgränserna. I figur 7 i rapporten sammanfattas kravgränser och verkliga utsläpp.
Kostnader för olika tekniker
De verkliga kostnaderna för tekniker och system är egentligen bara kända av tillverkarna. Myndigheter som sätter krav känner till en del kostnader (under sekretessförbindelser med tillverkare), eller uppskattar dessa med hjälp av konsulter (de behöver känna till vilka kostnader som olika krav driver).
Rapporten har samlat in kostnadsdata från olika publikationer och presentationer (mycket från SAE), dessa kostnadsdata har sedan justerats med hjälp av experter. Slutligen så har en grupp med representanter från industrin granskat kostnaderna och slutliga justeringar har gjorts. Kostnader som inte fanns i litteraturen har uppskattats med hjälp av kommersiella priser från olika leverantörers hemsidor, vilka räknats om till tillverkningskostnad genom att dividera med 2.5. I de fallen att komponenter inte enbart används för utsläppsbehandling, t.ex. insprutningssystem, så har hälften av komponentkostnaden allokerats till utsläppsbehandlingen. Kostnaderna är inte justerade för volymförsäljning och anses därför vara konservativa.
I rapporten kan man läsa om de uppskattade kostnaderna för de olika teknikerna inklusive utvecklingskostnader. De inkrementella kostnaderna för de olika stegen i utsläppstandarderna Euro III till VI och US 1998 till 2010 uppskattas också för en 12 liters dieselmotor, se nedan. Den inkrementella kostnaden för ett system som klarar given standard jämfört med kostnaden för ett system som klarar den tidigare standarden (ett Euro VI-system är $2 280 dyrare än ett Euro V-system).
Euro III  –  Euro IV – Euro V – Euro VI  – Totalt
$426      –  $3 771  – $460 – $2 280    – $6 937
US 1998  – US 2004 – US 2007- US 2010 – Totalt
$50         – $1 421   –  $1 650  – $3 816   – $6 937
Den totala (kumulativa kostnaden) är samma för Euro VI och US 2010 eftersom det är strategier som används för utsläppsreduktion. Det är kostanden för efterbehandlingssystem som dominerar för Euro VI och US 2010. Givet att det genomsnittliga rekommenderade priset från tillverkare 2015 var $157 000, så är den inkrementella kostnaden för utsläppskraven de senaste 20 åren drygt 4 % av snittpriset till slutkund.
De stora fördelarna med Euro VI och US 2010 när det gäller utsläppsreduktion samt att en del interim-standarder har dyra lösningar motiverar att andra regioner också implementerar Euro VI eller US 2010.
Nya amerikanska standarder för utsläpp av växthusgaser och bränsleeffektivitet för tunga lastbilar
US Environmental Protection Agency (EPA) och Department of Transportation (DOT) har färdigställt standarder för som skall förbättra bränsleeffektiviteten för och minska koldioxidutsläppen hos medeltunga och tunga fordon [2]. Detta är en konsekvens av President Obamas Climate Action Plan. De nya standarderna skall uppmuntra utveckling av ny teknik som ger renare och effektivare lastbilar. Dessa nya standarder gäller för modellår 2018-2027 för vissa trailers samt modellår 2021-2027 för bussar, pick-ups, semi-trucks, skåpbilar och arbetsfordon [3]. Standarderna förväntas leda till en sänkning av CO2-utsläpp med 1.1 miljarder ton under livstiden för de fordon som säljs under tiden standarderna gäller. Kostnadsbesparingarna för fordonsägare förväntas bli $170 miljarder under samma period. En köpare av en fjärrlastbil 2027 förväntas tjäna in merkostnaden för den effektivare tekniken på mindre än två år genom besparingar i drivmedel.
Standarderna innehåller bland annat förbättrade testprocedurer och revisioner för att säkerställa uppfyllnad, skydd mot enheter som manipulerar resultat (defeat devices), mer stringenta dieselmotorstandarder etc. Vidare så möjliggör standarderna för tillverkarna att välja sin egen teknologimix samt ger tid för att implementera dessa teknologier.
Mer information samt länkar till en ”prepublication version” av standarderna (obs! 1690 sidor!) finns i [3].
Egna kommentarer
Rapporten ger en bra översiktlig beskrivning av teknikerna för utsläppsreduktion från tunga dieselfordon.
Det känns som att författarna har haft en bra metodik för att ta fram kostnader, givet att det är en offentligt tillgänglig rapport. Jag har själv svårt att bedöma siffrorna, men det känns som att de borde vara i rätt härad med tanke på hur de tagits fram. Om någon vill kommentera siffrornas rimlighet så är det bara att höra av sig!
Det är intressant att se att kostnaden för utsläppsreduktion jämfört med snittpris till slutkund (ca 4 %), och det skulle vara ännu mer intressant att jämföra detta med kostnaden för andra teknikutvecklingar som t.ex. minskad drivmedelsförbrukning och förbättrade säkerhetssystem.
Källor
[1] COSTS OF EMISSION REDUCTION TECHNOLOGIES FOR HEAVY-DUTY DIESEL VEHICLES. The International Council on Clean Transportation (ICCT). Februari 2016. Länk.
[2] EPA and DOT Finalize Greenhouse Gas and Fuel Efficiency Standards for Heavy-Duty Trucks. US Environmental Protection Agency. 16 Augusti, 2016. Länk.
[3] EPA and DOT Finalize Greenhouse Gas and Fuel Efficiency Standards for Medium- and Heavy-Duty Engines and Vehicles. US Environmental Protection Agency. 16 Augusti, 2016. Länk.