Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 252: Emissioner fra shipping i Arktis fra 2012-2016 og emissionsfremskrivninger for 2020, 2030 og 2050

Winther, M., Christensen, J.H., Angelidis, I. & Ravn, E.S. 2017. Emissions from shipping in the Arctic from 2012-2016 and emission projections for 2020, 2030 and 2050. Aarhus University, DCE – Danish Centre for Environment and Energy, 125 pp. Scientific Report from DCE – Danish Centre for Environment and Energy No. 252 http://dce2.au.dk/pub/SR252.pdf 

Sammenfatning 

Skibe er en af de vigtigste kilder til emissioner i det arktiske område. Det karakteristiske for skibenes emissioner er, at de bliver emitteret i nærområdet og at udledningen sker i lav højde. Dermed bliver depositionen af emissioner relativ stor fra skibene der sejler i det arktiske område, set i forhold til skibenes begrænsede emissionstotal (se f.eks. Corbett et al., 2010; Winther et al., 2014). Emissionen af Black Carbon (BC) er i den forbindelse særligt interessant, idet BC bidrager til den globale opvarmning, især ved sværtning af overflader der hindrer refleksion af sollys i de arktiske egne (f.eks. Quinn et al., 2008; Flanner, 2007, 2009). 

I et tidligere emissionsprojekt, har DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi ved Institut for Miljøvidenskab på Aarhus Universitet beregnet en rumlig fordelt historisk opgørelse af emissionerne for skibe i det arktiske område nord for 58,95N for året 2012, ved brug af satellitbaserede AIS data, effektfunktioner for skibe og teknologifordelte emissionsfaktorer (Winther et al., 2014). Projektet beregnede også en fremskrivning af skibsemissionerne i det arktiske område for årene 2020, 2030 og 2050, samt en videre beregning af skibsemissionernes koncentrationer og deposition. Yderligere beregninger blev også lavet, ved at kombinere basisemissionsfremskrivningerne med et yderligere emissionsbidrag for trafik langs polarruter i fremtiden pga. formindsket udbredelse af havis. 

Denne rapport præsenterer resultater for DANCEA-projektet “Emissioner fra skibstrafik i det arktiske område i perioden 2012-2016 og en opdateret emissionsprognose frem til 2050” udført for Miljøstyrelsen af DCE ved Institut for Miljøvidenskab på Aarhus Universitet. De historiske emissionsresultater omfatter nu årene 2012-2016 for det arktiske område nord for 58,95N, og emissionsfremskrivningerne for 2020, 2030 og 2050 er forbedret ved at bruge det mere robuste femårige vægtede datagrundlag for skibstrafik, opdaterede vækstrater for ’business as usual’ (BAU) og høj trafikvækst (HiG) samt opdaterede emissionsfaktorer. I de nye beregninger justeres emissionsfaktorerne for motorbelastning, og der gøres nye antagelser for valg af brændstoftyper og udbredelsen af EGCS (Exhaust Gas Cleaning System) til svovlrensning ombord på skibe i prognoseårene. For de historiske emissioner og emissionsprognosen, præsenterer rapporten også resultater for skibsemissionernes koncentration og deposition. Opdaterede emissionsberegninger for fremtidig skibstrafik langs polarruter præsenteres også i rapporten. 

Ud over baseline emissionsfremskrivningerne, præsenterer denne rapport også emissionsresultater for et svovlemissionskontrolområde (SECA)-scenario og et tung fuelolie (HFO) forbud-scenario. I SECA-scenariet udvides de eksisterende SECA-zoner (dvs. det amerikanske SECA-område og Nordsøen/Østersøen) til at dække hele emissionsopgørelsens område. I HFO forbud-scenariet er det forbudt for skibe at bruge HFO som brændstof i området. 

I projektet beregnes emissionsresultater for de kortlivede drivhusgasser SO2, NOx, CO, NMVOC, PM, BC og OC og drivhusgasserne CO2, CH4 og N2O. Hovedrapporten fokuserer på resultaterne for energiforbrug, SO2, NOx og BC beregnet for BAU-trafikvækst. Resultaterne for de øvrige emissionskomponenter og resultater for høj trafikvækst er vist i rapportens bilag. 

For årene 2012[2013, 2014, 2015, 2016] beregnes følgende totalresultater for energiforbrug: 4.8[5.1, 6.3, 6.6, 5.4] Mtons; SO2: 82[84, 108, 60, 53] ktons; NOx: 320[339, 429, 432, 361] ktons og BC: 0.71[0.73, 0.86, 0.65, 0.56] ktons. 

For det seneste historiske år 2016 beregnes de største andele af energiforbruget (massebasis), BC, NOx og SO2 (procentandele i parentes) for fiskeskibe (45 %, 33 %, 39 %, 7 %) efterfulgt af passagerskibe (21 %, 22 %, 18 %, 25 % ), general cargo (10 %, 16 %, 13 %, 22 %), tankskibe (10 %, 12 %, 14 %, 21 %), bulkskibe (4 %, 6 %, 5 %, 12 %) og containerskibe (3 %, 4 %, 5 %, 7 %).   

For årene 2012-2016, følger NOx-emissionsniveauerne udviklingen i det totale energiforbrug (Figur DS 1). I 2015 og 2016 falder den beregnede SO2-emission markant pga. de skrappere lovgivningskrav til svovlindholdet i skibsbrændstoffer forbrugt indenfor SECA-områderne fra 1. januar 2015. De skrappere svovlkrav har generelt medført, at skibe, der før som udgangspunkt har brugt 1,0 % fuelolie, er begyndt at bruge marin dieselolie (MDO)/marin gasolie (MGO), når de sejler inden for SECA. Skiftet i brændstoftype har medført et fald i den beregnede BC-emission, idet BC -emissionsfaktorerne for MDO/MGO er mindre end BC-emissionsfaktorerne for 1,0 % fuelolie. 

SO2-emissionsreduktionerne fra 2012 til 2016 er tydeligt synlige for SECA-områderne vist på de rumlige emissionsfordelinger i figur DS 2. For BC er emissionsreduktionerne mindre tydelige, men de kan dog også ses på figuren. For NOx derimod, er der ikke nogle tydelige forskelle på de rumlige emissionsfordelinger for 2012 og 2016. 

I Baseline scenariet for prognoseårene 2020[2030, 2050] beregnes følgende totalresultater for energiforbrug: 5.7[5.8, 6.3] Mtons; SO2: 17[17, 18] ktons; NOx: 371[318, 247] ktons og BC: 0.43[0.44, 0.47] ktons. 

De fremskrevne Baseline emissionsresultater vurderes bedst ved at forklare emissionsudviklingen fra de nutidige emissioner beregnet ud fra de konsoliderede (femårsvægtede) skibsaktivitetsdata og det ensartede gittersystem, der bruges til at fremskrive skibsaktiviteterne, samt emissionsfaktorer for 2016 (den såkaldte ensartet gitterfordelte 2016 opgørelse). 

Følgende forskelle mellem de ensartet gitterfordelte 2016 resultater og Baseline BAU resultaterne i prognoseårene 2020, 2030 og 2050 (procentforskelle i parentes) er beregnet for energiforbrug ( +3 %, +5 %, +14 %), BC ( -19 %, -18 %, -12 %), SO2 (-70 %, -70 %, -69 %) og NOx (+1 %, -14 %, -33 %). 

NOx-emissionerne falder igennem prognoseperioden (Figur DS 3 og DS 4) pga. et fald i emissionsfaktorerne. Emissionsreduktionerne er mest markante indenfor SECA-området i Nordsøen/Østersøen (Figur DS 4), hvor nye motorer, installeret ombord i skibe fra 1.1.2021, skal overholde IMO’s (International Maritime Organization) Tier III NOx-emissionskrav. 

Hovedårsagen til SO2- og BC-emissionsreduktionerne fra 2016 (ensartet gitterfordelt) til 2020 er skiftet i brændstoftype fra HFO med et svovlindhold på 2.45 % i 2016 til 0.5 % fuelolie i 2020 og de dermed faldende emissionsfaktorer. 

På trods af stigningen i det samlede brændstofforbrug fra 2020 og fremefter, er de samlede emissioner af SO2 næsten stabile i prognoseperioden på grund af den stigende mængde HFO, der anvendes i kombination med EGCS (figur ES 3 og ES 4). Også det gradvist øgede LNG-brændstofforbrug antaget i baseline scenariet spiller en vigtig rolle i emissionsforklaringen for SO2. Udledningen af BC stiger noget på grund af de højere BC-emissionsfaktorer for HFO i kombination med EGCS sammenlignet med emissionsfaktorerne for det brændstof, der udskiftes (MDO/MGO inden for SECA, 0,5 % fuelolie uden for SECA).  

I SECA-scenariet for prognoseårene 2020[2030, 2050], beregnes følgende totalresultater for energiforbrug: 5.7[5.8, 6.3] Mtons; SO2: 9.0[9.1, 9.6] ktons; NOx: 371[318, 247] ktons og BC: 0.42[0.42, 0.46] ktons. I HFO forbud-scenariet for prognoseårene 2020[2030, 2050], bliver totalresultaterne for energiforbrug: 5.7[5.8, 6.3] Mtons: SO2: 8.9[8.9, 9.3] ktons; NOx: 371[318, 247] ktons og BC: 0.40[0.40, 0.41] ktons. 

Det totale energiforbrug og NOx-emissionerne er de samme for Baseline, SECA og HFO forbud-scenarierne, dels fordi faktorerne for specifikt energiforbrug og NOx er ens for HFO og MDO/MGO, og dels fordi LNG-andelene af det samlede energiforbrug er ens i alle tre scenarier. 

I alle scenarieårene bliver de beregnede SO2-emissioner for SECA og HFO forbud-scenarierne kun omtrent halvt så store som de beregnede emissioner for Baseline-scenariet (Figurerne DS 5 og DS 6). I SECA-scenariet bruges HFO kun af skibe med EGCS, og mængden af 0,5 % fuelolie uden for SECA, der ikke erstattes af LNG, bliver erstattet af MGO/MDO. I HFO forbud-scenariet bliver al HFO, der ikke erstattes af LNG, erstattet af MGO/MDO. 

For BC i 2020[2030, 2050], bliver de beregnede emissioner for HFO forbud- og SECA-scenarierne henholdsvis 8 %[9 %, 12 %] og 3 %[3 %, 3 %] mindre end emissionerne beregnet i Baseline-scenariet. Bortset fra LNG, hvor de samme andele af brændstofforbruget er antaget i alle scenarier, anvendes kun MDO/MGO-brændstof i HFO forbud-scenariet med en sammenhørende lav BC-emissionsfaktor. I SECA-scenariet bruges HFO brændstof i kombination med EGCS med en relativt højere BC-emissionsfaktor. I SECA-scenariet er BC-emissionerne fra MDO/MGO, der erstatter 0,5 % fuelolie, imidlertid mindre end emissionerne fra den mængde 0,5 % fuelolie, der anvendes i baseline-scenariet, på grund af BC-emissionsfaktorernes niveau. 

I den forrige emissionsopgørelse for det arktiske område, udført af Winther et al. (2014), blev emissionsresultater beregnet for det historiske år 2012 og prognoseårene 2020, 2030 og 2050.  

Ændringerne fra den forrige til den nye undersøgelse for 2012[2020, 2030, 2050] opgøres til -3 %[8 %, 7 %, 5 %] for sejlet antal km, -5 %[23 %, 22 %, 20 %] for energiforbrug, -7 %[-44 %, -44 %, -46 %] for SO2, 4 %[23 %, 24 %, 18 %] for NOx og -55 %[-73 %, -74 %, -75 %] for BC. 

Der er flere årsåger til de ovennævnte ændringer i resultaterne. De vigtigste kvalitative forklaringer angives i det følgende. 

I den tidligere opgørelse, var vækstraterne for trafikken baseret på skibsaktivitetsdata for 2012. I den nuværende opgørelse, er trafikvæksten baseret på konsoliderede femårs-vægtede trafikdata. Dette ændrer følgelig skibsaktivitetsfordelingen per skibstype og -størrelse og påvirker især det samlede brændstofforbrug og NOx-emissionerne. 

For SO2 skyldes emissionsændringerne mellem den foregående og den nuværende opgørelse hovedsageligt justeringer i svovlindholdet for MDO/MGO som input til emissionsberegningerne i den nuværende opgørelse. Indførelsen af LNG som brændstof i den nuværende opgørelse, giver også emissionsændringer, hvor forøgelsen af mængden af forbrugt LNG i scenarieårene påvirker SO2- og BC-emissionerne i faldende retning. 

For BC skyldes de største emissionsændringer mellem den foregående og den nuværende emissionsopgørelse ændringer i emissionsfaktorerne. På den måde er BC-emissionsfaktoren i den tidligere opgørelse ændret fra 0,35 g/kg brændstof uanset brændstoftype til et sæt af meget lavere emissionsfaktorer i den nuværende opgørelse for brændstoftyperne MDO/MGO, 2,5 % HFO og 0,5 % fuelolie. På trods af at der sker en opjustering af BC-emissionen i den nuværende opgørelse, pga. relativt lave motorbelastninger, bliver den aggregerede BC-emissionsfaktor i den nuværende opgørelse 0,15 g/kg brændstof for hele området i 2012. 

Emissionsfaktorerne i dette projekt stemmer godt overens med målekonklusionerne fra det internationale projekt vedrørende BC emissioner fra skibe, koordineret af the International Council of Clean Transport ICCT (2016), samt litteraturstudier udført af Lack and Corbett (2012) and Lack (2016). Et velkendt problem for BC er dog manglen på måledata for skibsmotorer, og derfor skal de beregnede emissionsresultater vurderes med forsigtighed. Nye BC-emissionsdata vil blive grundigt vurderet til brug for skibsemissionsopgørelser i fremtiden. 

De gennemsnitlige stigninger i overfladekoncentrationen af BC, SO2 og O3 og BC-depositionen ligger på et lavt niveau for Baseline-scenarierne for BAU og HiG-trafikvækst, når bidraget for polarruter ikke medtages (Figur DS 6). Når bidraget for polarruter medtages, bliver stigningerne i overfladekoncentrationerne og BC-depositionen markant højere. Både med og uden polarruters bidrag bliver stigningerne i koncentrationer og BC-deposition meget større i sommerperioden. For polarruters bidrag alene om sommeren beregnes gennemsnitlige stigninger for BCcon[BCdep, SO2, O3] på 0.8 % [0.2 %, 1.1 %, 3.3 %] og 3.9 % [1.1 %, 8.3 %, 8.7 %], for hhv. BAU og HiG-trafikvækst i 2050. For polarruters bidrag alene beregnes som årsgennemsnit stigninger for BCcon[BCdep, SO2, O3] på 0.2 % [0.1 %, 0.1 %, 0.8 %] og 1.0 % [0.4 %, 1.0 %, 2.1 %], for hhv. BAU og HiG-trafikvækst i 2050. 

De rumligt fordelte gennemsnitlige koncentrations- og depositionsbidrag for skibe er også lave i den største del af opgørelsesområdet i 2016 (ensartet gridfordelt 2016, Figur DS 7). Det yderligere bidrag til BC-koncentrationen for skibe bliver op til 5 % omkring Island, og i visse geografiske områder beregnes ekstra koncentrationer af SO2 på mellem 20-100 %. I sommerperioden i 2050, bliver de beregnede ekstra koncentrationsbidrag fra skibe langs polarruterne meget synlige for BC (20-40 %) og SO2 (300-1000 %). BC-depositionen og O3-koncentrationen bliver størst over hhv. oceanet øst for Grønland (1-2 %) og i det højarktiske område (7-10 %).