Characterisation of Climate and Health Relevant Properties of Exhaust Aerosols from Ship Engines : Effects of Fuels and Exhaust After-Treatment Technologies

Abstract

Kansainvälinen laivaliikenne on vähähiilisin kuljetusmuoto, mutta samalla merkittävä pakokaasujen ja hiukkaspäästöjen lähde, vastaten noin 3 %:sta kasvihuonekaasuista ja aiheuttaen huomattavia terveysvaikutuksia maailmanlaajuisesti. Laivaliikenteessä on perinteisesti käytetty fossiilisia polttoaineita, kuten raskasta polttoöljyä (HFO), mutta tavoitteet kasvihuonekaasujen ja päästöjen vähentämiseksi ovat johtamassa uusien polttoaineiden ja pakokaasun jälkikäsittelyjärjestelmien käyttöönottoon.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin laivojen pakokaasuaerosolin ominaisuuksia käytettäessä erilaisia polttoaineita tai jälkikäsittelyteknologioita. Työssä suoritettiin kokeellisia pakokaasuaerosolimittauksia sekä testimoottorilla että kahdella nykyaikaisella risteilyaluksella. Polttoaineista tutkittiin mm. HFO:ta, nestemäisiä tislepolttoaineita sekä nesteytettyä maakaasua (LNG). Jälkikäsittelyteknologioista tarkasteltiin selektiivistä katalyyttista pelkistystä (SCR), savukaasupesuria (scrubber) ja märkää sähkösuodatinta (WESP). Työn tavoitteena on tuottaa uutta tietoa merimoottoreiden hiukkasten fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista sekä tutkia, miten eri polttoaineet ja jälkikäsittelymenetelmät vaikuttavat pakokaasuaerosolien ilmaston ja terveyden kannalta oleellisiin ominaisuuksiin.

Tulokset osoittavat, että meripolttoaineista syntyvät hiukkaset ovat pääosin kooltaan alle 100 nm, ja merkittävä osa voi olla pienempiä kuin 23 nm. Tuoreeltaan emittoitunut hiukkaslukumäärä maailmanlaajuisesta laivaliikenteestä on samaa suuruusluokkaa kuin muista ihmisperäisistä lähteistä mantereilla. HFO:n käyttö pesurin kanssa voi poistaa sekä tuoreita että haihtumattomia hiukkasia, mutta poistoteho kohdistuu pääasiassa pienimpiin hiukkasiin, kun taas suuremmat mustaa hiiltä ja metalleja sisältävät hiukkaset voivat jäädä pakokaasuun. SCR voi tuoda etuja vähentämällä polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä tai formaldehydiä. HFO:n havaittiin muodostavan sekundääristä aerosolia, jonka määrä väheni käytettäessä pesuria ja WESP:a. LNG:n käyttö vähentää hiukkaspäästöjä, ja erityisesti haihtumattomien hiukkasten määrä on matala. Havaitut vaikutukset hiukkasten määrässä ja ominaisuuksissa voivat vähentää hiukkasten epäsuoria ilmastovaikutuksia sekä tuoda terveyshyötyjä, vaikka huolia liittyy edelleen hiukkasten metalleihin sekä pieneen kokoon. Työssä havaittiin myös, että mikäli jäännöspolttoaineen käyttö jatkuu vallitsevana, laivaliikenne säilyy merkittävänä hiukkaspäästöjen lähteenä.

International shipping, while the most carbon-efficient mode of transport, is a significant source of exhaust gases and particulate emissions, contributing approximately 3% of global greenhouse gas emissions and causing substantial health impacts worldwide. Ship traffic has traditionally relied on fossil fuels such as heavy fuel oil (HFO), but targets to cut greenhouse gases and other emissions mean that alternative fuels and exhaust aftertreatment systems are being adopted.

This thesis investigates how different marine fuels and exhaust after-treatment technologies affect the characteristics of ship exhaust aerosols. In the scope of this thesis work, experimental exhaust aerosol measurements were conducted on a test-bed engine and on-board two modern cruise vessels. Studied fuels included HFO, distillate fuels and liquefied natural gas (LNG). Also exhaust after-treatment technologies including selective catalytic reduction (SCR), scrubber, and wet electrostatic precipitator (WESP) were studied. The thesis aims to provide new information on the physical and chemical properties of particles from marine engines and indicate how the different fuels and aftertreatment techniques affect the climate and health relevant properties of the exhaust aerosol.

The results of this thesis show that particles from marine fuel combustion are predominantly in the ultrafine particle size below 100 nm and significant fraction may reside below 23 nm. Freshly emitted particle number from global ship traffic was found to be of same magnitude with continental anthropogenic sources. HFO use with exhaust gas scrubbing can remove partly both fresh and non-volatile particles, but removal was noticed mainly in smallest particles whereas larger black carbon and metal containing particles may remain in the exhaust. SCR may bring benefits in removing polyaromatic hydrocarbons or formaldehyde. HFO exhaust was found to form secondary aerosol which could be reduced by use of scrubber and WESP. LNG use can reduce particle emissions and especially non-volatile particle number is low compared to HFO. The observed effects in particle number and properties may reduce indirect particle effects on climate but also provide benefits in terms of health impacts although some concerns remain related to metals in particles and their small size. With the continued use of residual fuel oil, shipping was found to remain as significant source of particle emissions.