Modeling of Ship Emissions and a Comparison of their Impact on Air Quality between Northern Europe and Eastern China

Abstract

Man-made influences have significantly changed the composition of the atmosphere during the last century. Enormous amounts of anthropogenic greenhouse gas emissions threaten to drive global warming to a point where its consequences could become catastrophic. Moreover, air pollution represents currently one of the greatest risks to human health worldwide. International shipping contributes to both of these problems on a global scale. Calculations hold it accountable for 2.2 % of CO2, 15 % of NOX, and 13 % of SO2 of the respective total anthropogenic emissions in 2012. Regions that are particularly affected by air pollution from ships are, e.g., northern Europe or eastern China due to their high ship traffic. Analogous to global trade, merchant shipping is expected to continue to increase in the coming decades, and if not properly regulated, harmful ship emissions might increase as well. Political actors, such as the International Maritime Organization (IMO), try to formulate effective management strategies that target the mitigation of adverse air quality impacts from ship emissions as well as a reduction of emitted greenhouse gases. However, this requires knowledge on the spatial and temporal distribution of ship emissions, as well as on their atmospheric dispersion and physicochemical transformations. Furthermore, potential legislative measures and technological pathways should be evaluated prior to their implementation to assess their performance against alternatives and identify possible drawbacks. Therefore, this doctoral thesis aims to investigate the effects of a potential future transition to cleaner and carbon-free fuels on ship emissions, as well as regional differences and/or similarities in the air quality impacts of ship emissions between northern Europe and eastern China. To achieve these aims, the Modular Ship Emission Modeling System (MoSES) was developed. MoSES is independent of the region it is applied to and able to calculate spatio-temporally highly resolved ship emission data sets that are valuable for studying ship emissions. The emission calculation is based on a bottom-up approach, using data recorded from the automatic identification system (AIS) for ships and a ship characteristics database. In addition, several ship-type specific estimators were developed to account for ship characteristics data that is unavailable but required for the emission calculation. For the research on ship emissions, two regions were of particular interest for this doctoral project. These are northern Europe, including the North and Baltic Sea (NBS), and eastern China, including the East China Sea, Yellow Sea, and Bohai Sea. Both are regions with high shipping densities, where ship emissions impact the air quality of populated coastal areas and large port cities. Using the MoSES model, ship emission inventories (EIs) for 2015 were calculated for both regions. In addition, uncertainties in the emission calculation were investigated, resulting from the choice of emission factors or unavailable ship characteristics data. A higher uncertainty was found for the ship EI generated for China, which was primarily due to less available information on ship engines of the regional fleet. For China, the main engine power had to be estimated for 67 % of the total main engine power of the regional fleet compared to 31 % for Europe. In response to the IMO’s current efforts to decarbonize the global shipping sector, a novel methodology was developed that is particularly useful to create decarbonization scenarios for the shipping industry. This methodology allows to modify and temporally evolve virtual representations of shipping fleets, e.g., to potential future shipping fleets. On the basis of these modified fleets, including their ship movements, scenario ship EIs can be calculated by the MoSES model. Using this approach, three ship emission scenarios were generated for the NBS for the years 2025, 2040, and 2050. They concern a transition to ammonia as the main marine fuel in 2050, via liquefied natural gas as the main fuel in 2040. In addition, two different ammonia engine technologies were investigated, i.e., a combustion ignition engine (CI) option using marine diesel engine as pilot fuel and a spark ignition engine (SI) option using hydrogen as pilot fuel. Generally, the stronger emission reductions (shown below in brackets) were achieved with the SI technology, which is considered more advanced. For 2050, a 40 % (47 %) reduction of CO2 emissions from shipping was projected, but only a 22 % (44 %) reduction of CO2 equivalents compared to 2015. The reason for this difference is mainly attributable to an increase in N2 O emissions. To contextualize these results to the IMO’s decarbonization targets for 2050: These project a 50 % reduction of CO2 emissions compared to 2008. Thus, differences need to be compensated in other ways, such as carbon capture and storage. In addition, air pollutant emissions were affected by the fuel transition: NOX emissions were reduced by 39 % (61 %), the different emitted PM components and SO2 by 73–84 % in 2050 compared to 2015. The total annual ammonia slip from ammonia-fueled ships that were calculated for the NBS area was 930 Gg (35 Gg) in 2050. Furthermore, difference in the regional impact of ship emissions on air quality between northern Europe and eastern China were investigated. An important factor in the comparison were the different levels of background air pollution between these regions, which can be classified as medium in Europe and high in China. Additional important factors were the regional shipping fleet and meteorological aspects. For this study, two harmonized performed chemical transport model runs were carried out with the CMAQ model, using ship emission data calculated with MoSES. Annual mean pollutant concentrations in affected northern European coastal regions were 3 µg · m−3 for NO2 , below 0.3 µg · m−3 for SO2, 2.5 µg · m−3 for O3, and 1 µg · m−3 for PM2.5. In eastern Chinese coastal regions these were 3 µg · m−3 for NO2, 2 µg · m−3 for SO2, 2–8 µg · m−3 for O3, and 1.5 µg · m−3 for PM2.5. In heavily affected regions, such as large ports, the modeled contributions of ships on total ambient concentrations were in Europe 15 % for NO2, 0.3 % for SO2, 12.5 % for O3, and 1.25 % for PM2.5 and in China 15 % for NO2 , 6 % for SO2 , 7.5 % for O3 and, 2 % for PM2.5. Thus, absolute pollutant concentrations from ships were in China slightly higher than in Europe, however, the relative impact was in China smaller due to higher emissions from other sectors. Compared to Europe, the higher level of atmospheric pollution, the characeristics of two different climate zones, and the summer monsoon were found to seasonally alter the chemical transformation processes of ship emissions in China. Especially in northern China, high PM concentrations during winter were found to inhibit the transformation of secondary aerosol precursors from ship emissions and reduce the impact of ship-related aerosols compared to Europe.

Durch den Einfluss des Menschen hat sich die Zusammensetzung der Atmosphäre im letzten Jahrhundert deutlich verändert. Gigantische Mengen anthropogener Treibhausgasemissionen sind der Auslöser für eine globale Erderwärmung, die droht katastrophale Folgen zu haben. Darüber hinaus stellt Luftverschmutzung derzeit die weltweit größte Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Der internationale Schiffsverkehrträgt seinen Teil zu diesen Problemen bei. Berechnungen zufolge hatte er einen Anteil von 2,2 % an CO2, 15 % an NOX und 13 % an SO2 der jeweiligen anthropogenen Gesamtemissionsmengen im Jahr 2012. Regionen wie Nordeuropa oder Ostchina sind aufgrund ihres starken Schiffsverkehrs besonders von der Luftverschmutzung durch Schiffe betroffen. Analog zum Welthandel wird voraussichtlich auch die Handelsschifffahrt in den kommenden Jahrzehnten weiter zunehmen. Erfolgt keine angemessene Regulierung, wird auch die Menge an schädlichen Schiffsemissionen weiter steigen. Politische Akteure, wie die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO, International Maritime Organization), versuchen wirksame Strategien zu Entwickeln, um die negativen Auswirkungen von Schiffsemissionen auf die Luftqualität zu mindern und den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Dies erfordert jedoch Kenntnisse über die räumliche und zeitliche Verteilung von Schiffsemissionen sowie über deren Dispersion und physikalisch-chemische Umwandlung in der Atmosphäre. Darüber hinaus sollten die Wirksamkeit legislativer Maßnahmen und technologische Neuentwicklungen vor ihrer Umsetzung auf ihre Wirksamkeit hin beurteilt sowie mögliche Nachteile ermittelt werden. Daher zielt die vorliegende Doktorarbeit darauf ab, die Auswirkungen eines möglichen künftigen Wechsels zu saubereren und kohlenstofffreien Kraftstoffen auf Schiffsemissionen zu untersuchen. Außerdem erfolgt eine Analyse regionaler Unterschiede und/oder Gemeinsamkeiten hinsichtlich der Auswirkungen von Schiffsemissionen auf die Luftqualität zwischen Nordeuropa und Ostchina. Um diese Ziele zu erreichen, wurde das modulare Schiffsemissionsmodell (MoSES, Modular Ship Emission Modeling System) entwickelt. MoSES ist unabhängig von der zu modellierenden Region und in der Lage, räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Schiffsemissionsdatensätze zu erzeugen, die für die Forschung an Schiffsemissionen von großem Nutzen sind. Die Emissionsberechnung basiert auf einem Bottom-up-Ansatz, bei dem Signaldaten aus dem automatischen Schiffsidentifikationssystem (AIS, Automatic Identification System) und eine Datenbank für Schiffseigenschaften verwendet werden. Darüber hinaus wurden mehrere schiffstypen-spezifische Funktionen entwickelt, um Schiffseigenschaften, die nicht bekannt, aber für die Emissionsberechnung erforderlich sind, abzuschätzen. Für die Forschung an Schiffsemissionen waren für dieses Dissertationsprojekt zwei Regionen von besonderem Interesse. Diese sind Nordeuropa, einschließlich der Nord- und Ostsee (NBS, North and Baltic Sea), und Ostchina, inklusive dem Ostchinesischen Meer, dem Gelben Meer und dem Golf von Bohai. Beides sind Regionen mit hohem Schiffsverkehr, in denen Schiffsemissionen Einfluss auf die Luftqualität bewohnter Küstengebiete und großer Hafenstädte haben. Mithilfe des MoSES Modells wurden für beide Regionen räumlich und zeitlich hochaufgelöste Schiffs-Emissionsinventare (EIs) für das Jahr 2015 berechnet. Außerdem wurden Unsicherheiten in der Emissionsberechnung untersucht, die sich aus der Wahl der Emissionsfaktoren oder nicht verfügbarer Informationen zu Schiffseigenschaften ergeben. Eine größere Unsicherheit wurde für die Emissionsberechnung des Inventars für China festgestellt, was sich primär auf weniger verfügbare Informationen über die Leistung vieler Schiffsmotoren der regionalen Flotte zurückführen ließ. Für China musste die Leistung der Hauptmotoren für 67 % der gesamten Hauptmotorenleistung der regionalen Flotte geschätzt werden im Vergleich zu 31 % für Europa. Als Reaktion auf aktuelle Ambitionen der IMO, den globalen Schifffahrtssektor zu dekarbonisieren, wurde eine neuartiger Ansatz erarbeitet, der sich insbesondere zur Erstellung von Dekarbonisierungs-Szenarien für die Schifffahrt eignet. Dieser Ansatz ermöglicht es, virtuelle Darstellungen von Schiffsflotten zu modifizieren und zeitlich weiterzuentwickeln, z. B. zu möglichen zukünftigen Schiffsflotten. Auf der Grundlage solch einer modifizierten Flotte, inklusive ihrer Schiffsbewegungen, lassen sich mit dem MoSES-Modell Emissionsinventare für Schiffsemissions-Szenarien berechnen. Mittels dieses Ansatzes wurden für die NBS Region drei Schiffsemissionsszenarien für die Jahre 2025, 2040 und 2050 erstellt. In diesen wurde von einem Übergang zu Ammoniak als primärem Schiffskraftstoff im Jahr 2050 ausgegangen. Als Übergangslösung wurde verflüssigtes Erdgas (LNG, Liquefied Natural Gas) als primärer Kraftstoff im Jahr 2040 verwendet. Darüber hinaus, wurden zwei verschiedene Ammoniak-Motorentechnologien untersucht: eine Verbrennungsmotor-Option (CI, Combustion Ignition) mit Schiffsdiesel als Pilotkraftstoff und eine Fremdzündungsmotor-Option (SI, Spark Ignition) mit Wasserstoff als Pilotkraftstoff. Im Allgemeinen wurden stärkere Emissionsminderungen mit der SI-Technologie erzielt (in den folgenden Ergebnissen in Klammern), die als fortschrittlicher gilt. Für 2050 wurde im Vergleich zu 2015 eine Verringerung der CO2 Emissionen aus der Schifffahrt um 40 % (47 %) berechnet. Die Emissionen von CO2 -Äquivalenten verringerten sich dagegen nur um 22 % (44 %). Der Grund dieser Differenz lag primär in einem Anstieg der N2 O Emissionen. Um diese Ergebnisse in Kontext zu den Dekarbonisierungszielen der IMO für 2050 zu setzen: Diese legen eine 50-prozentige Reduktion der CO2 Emissionen im Vergleich zu 2008 fest. Differenzen der in den Szenarien erhaltenen Ergebnisse müssten somit anderweitig, z. B. durch Carbon Capture and Storage kompensiert werden. Die Menge emittierter Luftschadstoffen wurde durch die Treibstoffumstellung ebenfalls beeinflusst: Für 2050 waren NOX Emissionen um 39 % geringer im Vergleich zu 2015 und die Emissionen verschiedener PM-Komponenten und SO2 waren um 73–84 % reduziert. Die gesamten jährlichen NH3 -Emission von ammoniak-betriebene Schiffen, die für die NBS Region berechnet wurden, lagen im Szenario für 2050 bei 930 Gg (35 Gg). Außerdem wurden Unterschiede in den regionalen Auswirkungen von Schiffsemissionen auf die Luftqualität zwischen Nordeuropa und Ostchina untersucht. Ein wichtiger Faktor war der unterschiedliche Grad der Luftverschmutzung zwischen beiden Regionen, welcher in Europa als mittel und in China als hoch eingestuft werden kann. Weitere wichtige Faktoren waren die regionalen Schiffsflotten und meteorologische Aspekte. Für diese Studie wurden zwei harmonisiert durchgeführte Chemietransportmodell-Läufe mit dem CMAQ-Modell vorgenommen, wobei mit MoSES berechnete Schiffsemissionsdaten verwendet wurden. Die mittleren jährlichen Schadstoff-Konzentrationen waren in betroffenen nordeuropäischen Küstenregionen 3 µg · m−3 für NO2, unter 0.3 µg · m−3 für SO2, 2.5 µg · m−3 für O3 und 1 µg · m−3 für PM2.5. Für ostchinesische Küstenregionen lagen diese bei 3 µg · m−3 für NO2, 2 µg · m−3 für SO2, 2–8 µg · m−3 für O3 und 1.5 µg · m−3 für PM2.5. In stark betroffenen Regionen, wie z. B. großen Häfen, betrugen die Beiträge von Schiffen an den Luftschadstoff-Konzentrationen in Europa 15 % für NO2, 0.3 % für SO2, 12.5 % für O3, und 1.25 % für PM2.5 und in China 15 % für NO2, 6 % für SO2, 7.5 % für O3, 2 % für PM2.5. Demnach waren die absoluten Schadstoff-Konzentrationen von Schiffen in China leicht höher als in Europa. Deren relative Auswirkungen waren jedoch in China aufgrund höherer Emissionen anderer Sektoren geringer. Im Vergleich zu Europa wurde festgestellt, dass in China der höhere Grad der Luftverschmutzung, die Charakteristiken zweier unterschiedlicher Klimazonen und der Sommermonsun die chemischen Umwandlungsprozesse von Schiffsemissionen in China saisonal verändern. Insbesondere für den Norden Chinas wurde festgestellt, dass hohe PM Konzentrationen im Winter die Umwandlung sekundärer Aerosolvorläufer aus Schiffsemissionen hemmen und die Auswirkungen schiffsbedingter Aerosole im Vergleich zu Europa verringern.