Armin Aulinger, Volker Matthias, Johannes Bieser, Markus Quante GKSS Forschungszentrum Geesthacht

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1 Modellierung der atmosphärischen Deposition von partikulär gebundenem Stickstoff und Schwefel in deutschen Küstenregionen unter besonderer Berücksichtigung von Schiffsemissionen Armin Aulinger, Volker Matthias, Johannes Bieser, Markus Quante GKSS Forschungszentrum Geesthacht 1

2 Motivation Schiffe stellen die billigste Möglichkeit dar, Güter über weite Strecken zu transportieren. Mehr als 90% aller Güter weltweit werden mit Schiffen transportiert mit einer jährlichen Zunahme von ca. 3%. Schiffe benutzen niederwertigen Treibstoff mit hohem Schwefelgehalt (Schweröl) Schiffe haben möglicherweise in einigen Regionen einen hohen Einfluß auf die Luftqualität und Depositionen von Säurebildnern und Nährstoffen PAGE 2

3 Überblick Model System Schiffsemissionen Luftverschmutzung in Küstenregionen Depositionen Effekt von Schwefelreduktion im Treibstoff Zusammenfassung PAGE 3

4 CMAQ Modelling System CCLM Land based emissions Meteorology gas phase chemistry transport algorithms Emissions Ship emissions aerosol chemistry CCTM cloud chemistry and dynamics Solar radiation PAGE 4 Extended by GKSS to model transport of BaP Initial and boundary conditions

5 Model and Setup Model domain: 30 vertical layers up to 100 hpa PAGE 5

6 Vessel movement data Route Basic vessel data Departure and arrival places and dates for the year 2000 Year of construction Engine type Fuel type Power Ship Emission Module Calculation of ship emissions in NW Europe Time spent in grid box Emission factor [g/kwh] (Cooper et al., 2004) Ship emissions per grid box Land based emissions (TNO, 2005) Chemical transport modeling with CMAQ Deposition and concentration distribution over Europe PAGE 6

7 Emissions SO2, NOx PAGE 7

8 SO2 emissions +19 % +30 % PAGE 8

9 NOx emissions +18 % +23 % PAGE 9

10 Concentrations (gases) SO2, NO2 PAGE 10

11 SO2 concentration PAGE 11

12 NO2 concentration PAGE 12

13 Concentration (aerosols) Sulfate Nitrate Ammonium PAGE 13

14 Sulfate aerosol concentration PAGE 14

15 Nitrate aerosol concentration PAGE 15

16 Ammonium aerosol concentration PAGE 16

17 Comparison to measurements No ships Sulfate, July 2000 Sulfate, January ,5 measured Incl. ships 3,5 conc. / microgr./m**3 3 conc. / microgr./m**3 4 2, ,5 obs no ships incl. Ships obs 2 no ships 1,5 incl. Ships 1 1,5 1 0,5 0,5 0 0 DE09 DE07 DK05 DK03 FR09 DK08 GB14 GB07 NO01 NL09 SE02 NO08 DE09 DE07 DK05 DK03 station FR09 DK08 GB14 GB07 NO01 NL09 SE02 NO08 station Comparison to measurements reveals better results if ship emissions are included Effect is larger in summer compared to winter

18 Wet deposition (from aerosols) Sulfate Nitrate Ammonium PAGE 18

19 Effects on sulfate wet deposition PAGE 19

20 Effects on nitrate wet deposition PAGE 20

21 Effects on ammonium wet deposition PAGE 21

22 Trend of depositions into the North Sea between 1995 and 2005 PAGE 22

23 Trend of depositions into the North Sea between 1995 and 2005 PAGE 23

24 Comparison between 1995 and 2005 Sulphate-S Nitrate-N tons S NoS S NoS PAGE 24 Ammonium-N S NoS

25 SOx emission control area (SECA) Karte: Verband Deutscher Reeder Ships have to use sulfur reduced fuels (max. 1.0% S since 1 July 2010) SO2 emissiones by ships are reduced by 63 % within SECAs From 2015 on, only 0.1 % S will be allowed PAGE 25

26 Sulfur reduced fuels (1.0%) in North and Baltic Sea SECAs: Aerosol concentrations in summer Sulfate 1.5 Nitrate 1.5 Ammonium For comparison: Fuel with high sulfur content (standard heavy fuel oil) PAGE

27 Zusammenfassung Es wurde ein detailliertes Emissionskataster inklusive Schiffsemissionen erstellt. Simulationen mit dem Chemie-Transport Modell weisen auf deutlich erhöhte Schadstoffkonzentrationen in Küstenregionen in Folge des Schiffsverkehrs hin. Durch verstärkte Aerosolbildung kommte es zu erhöhten Depositionen von Säurebildnern und Nährstoffen (bis zu 50%). Schwefelarme Treibstoffe zeigen erwartete Reduktionen bei partikulärem Schwefel führen aber in manchen Regionen zu erhöhten Nitratkonzentrationen. Publikation: V. Matthias et al. (2010): The contribution of ship emissions to air pollution in the North Sea regions, Environmental Pollution 158, PAGE 27