Ilmassa 15.6.2017

Etanolipolttoaineiden havaittiin pienentävän autojen hiukkaspäästöjä

Ilmatieteen laitos tutki etanolipitoisten polttoaineiden vaikutusta henkilöautojen pakokaasupäästöihin. Tutkimus osoitti, että alkoholipolttoaineiden käyttö pienentää sekä suoria hiukkaspäästöjä että ilmakehässä syntyviä hiukkasia verrattuna laajasti käytössä oleviin bensiinipohjaisiin polttoaineisiin.

Tutkimuksessa käytettiin kolmea eri polttoainetta, joissa oli 10 % (E10), 85 % (E85) tai 100 % etanolia (E100), flex-fuel ajoneuvossa ja tutkittiin niiden vaikutusta ajoneuvon päästöihin. Tutkimuksessa havaittiin, että polttoaineen alkoholipitoisuuden lisääntyessä kaasumaisten orgaanisten yhdisteiden kokonaispäästöt nousivat. Toisaalta, terveydelle haitallisten aromaattisten yhdisteiden kuten bentseenin ja tolueenin päästöt kuitenkin laskivat. Hiukkaspäästöt olivat suurimmat E10-polttoaineella, jossa etanolia on 10 prosenttia. ”Sekä suorien että ilmassa muodostuvien hiukkasten päästöt laskivat selkeästi polttoaineen alkoholipitoisuuden lisääntyessä”, tiivistää Ilmatieteen laitoksen tutkija Hilkka Timonen.

Primääriset eli suorat hiukkaspäästöt koostuvat yleensä mustasta hiilestä ja orgaanisista yhdisteistä.  Ilmakehässä kaasumaisista yhdisteistä muodostuva ns. sekundäärinen hiukkasmassa koostuu lähinnä orgaanisista yhdisteistä, sulfaatista, nitraatista ja ammoniumista.

Ajoneuvoista lähtöisin olevat sekundääriset päästöt vaikuttavat ilmanlaatuun kuitenkin kaupunkialueilla yhtä paljon kuin suorat päästöt.  ”Ajoneuvojen päästörajat rajoittavat tällä hetkellä ainoastaan primäärisiä hiukkaspäästöjä. On kuitenkin tärkeää tuntea ajoneuvoista peräisin olevan sekundäärisen aerosolin muodostumisprosessi sekä sen vaikutus ilmanlaatuun, jotta tulevaisuudessa voimme asettaa tarpeellisia päästörajoja ajoneuvoille ja siten parantaa ilmanlaatua tiheästi asutuissa kaupungeissa”, tutkija Hilkka Timonen sanoo.

Ajoneuvojen päästörajat rajoittavat tällä hetkellä ainoastaan primäärisiä hiukkaspäästöjä.

Reaaliaikaisilla mittauksilla saatiin uutta tietoa sekundääristä päästöistä

Tutkimuksessa käytetty sekundäärihiukkasten muodostusta simuloiva PAM-kammio.

Ajoneuvon hiukkas- ja kaasupäästöjä mitattiin NEDC-ajosyklin (a New European Driving Cycle) aikana. NEDC-ajosykli kestää noin 20 minuuttia ja koostuu erilaisista kaupunki ja maantieajossa tyypillisistä ajonopeuksista, sekä kiihdytys- ja jarrutustilanteista. Syklin aikana pakokaasupäästöjä tutkittiin kattavasti reaaliaikaisilla mittalaitteilla.

Ilmatieteen laitoksen nokiaerosolimassaspektrometri, jolla mitattiin pienhiukkasten kemiallista koostumusta reaaliajassa auton pakokaasupäästöstä.

Hiukkasten kemiallinen koostumus määritettiin Ilmatieteen laitoksen nokiaerosolimassaspektrometrillä ja sekundäärisen hiukkasmassan muodostusta simuloitiin hapetusreaktorin (Potential Aerosol Mass-kammion) avulla. Hapetusreaktori on läpivirtauskammio, jossa on samassa suhteessa hapettimia kuin ilmakehässä mutta nopean hapettumisen mahdollistamiseksi hapettimia on kuitenkin tyypillisesti noin 1000-kertainen määrä ilmakehään verrattuna. ”Tällä tavalla saadaan aikaan olosuhteet, jossa hapettuminen tapahtuu lähes reaaliajassa ja päästään tutkimaan, kuinka sekundäärihiukkasia muodostuisi ilmakehässä pakokaasun reagoidessa ilmakehän hapettimien kanssa. Lisäksi mitattiin hiukkasten lukumäärä ja massa kokojakaumaa sekä kaasumaisia päästöjä laajasti”, Hilkka Timonen sanoo.

Reaaliaikaisten mittalaitteiden avulla pystyttiin selvittämään myös, miten erilaiset ajotilanteet kuten kylmäkäynnistys tai ripeä kiihdytys vaikuttavat päästöihin. Suurimmat primääriset hiukkaspäästöt havaittiin heti käynnistyksen jälkeen kun moottori oli kylmä sekä kiihdytystilanteissa. Sekundääristä hiukkasmuodostusta tapahtui tasaisemmin koko ajosyklin aikana, mutta myös sekundäärisestä hiukkasmassasta iso osa liittyi kylmäkäynnistyksen päästöihin.

Tutkimus tehtiin yhteistyössä VTT:n ja Tampereen teknillisen yliopiston kanssa VTT:n moottorilaboratoriossa. Tutkimus tehtiin osana jo päättynyttä Tekesin Energian ja ympäristön strategisen huippuosaamisen keskittymän (CLEEN; Cluster for Energy and Environment) Ympäristön mittaus ja monitorointi (MMEA; Measurement, Monitoring and Environmental Assessment) -tutkimusohjelmaa, jossa kehitettiin muun muassa uusia reaaliaikaisia mittaustekniikoita päästömittauksia varten. Mittaukset autoilla kuuluivat Annex 44 -hankkeeseen IEA-AMF -ohjelman puitteissa (International Energy Agency – Advanced Motor Fuels).

Tutkimus on juuri julkaistu Atmospheric Chemistry and Physics –lehdessä (http://www.atmos-chem-phys.net/17/5311/2017/).

 

 

 

Teksti:
Kuvat:

Hilkka Timonen