Đo lường phát thải xe cộ

Cùng với các áp lực đối với môi trường do sự gia tăng dân số, đô thị hóa, sự phát triển nhanh các khu công nghiệp, các hoạt động giao thông vận tải cũng gây áp lực không nhỏ đối với môi trường. Việt Nam đang trên đà phát triển đất nước theo định hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa, do vậy sự phát triển các khu công nghiệp, tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh và tất yếu. Kinh tế xã hội càng phát triển, chất lượng đời sống của con người được cải thiện thì nhu cầu hoạt động giao thông vận tải sẽ ngày càng cao, các phương tiện giao thông gia tăng nhanh chóng (đặc biệt là ô tô, xe máy), điều này đã làm gia tăng tải lượng cũng như nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí. Khí thải từ động cơ đốt trong chính là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường, làm biến đổi khí hậu, ảnh hưởng tới đời sống và sức khỏe con người Việc tính toán tải lượng các chất ô nhiễm không khí do hoạt động giao thông phục vụ cho việc mô phỏng quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong không khí là rất cần thiết. Để giảm lượng phát thải toàn diện, cần phải sử dụng phương pháp tính tổng lượng phát thải do các phương tiện giao thông sinh ra theo từng vùng, từng khu vực, từng quốc gia hàng năm, từ đó có các cơ chế kiểm soát, điều chỉnh nhằm đạt đến mục tiêu giảm lượng phát thải trong khi vẫn duy trì sự phát triển kinh tế xã hội. Chính vì vậy, việc đo lường phát thải các chất ô nhiễm do hoạt động giao thông gây ra là cần thiết đáp ứng được nhu cầu cấp thiết hiện nay.

Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Lời mở đầu: Cùng với áp lực môi trường gia tăng dân số, thị hóa, phát triển nhanh khu công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải gây áp lực không nhỏ môi trường Việt Nam đà phát triển đất nước theo định hướng cơng nghiệp hóa đại hóa, phát triển khu cơng nghiệp, tốc độ thị hóa diễn nhanh tất yếu Kinh tế xã hội phát triển, chất lượng đời sống người cải thiện nhu cầu hoạt động giao thơng vận tải ngày cao, phương tiện giao thông gia tăng nhanh chóng (đặc biệt tơ, xe máy), điều làm gia tăng tải lượng nồng độ chất nhiễm khơng khí Khí thải từ động đốt trong nguồn gây nhiễm mơi trường, làm biến đổi khí hậu, ảnh hưởng tới đời sống sức khỏe người Việc tính tốn tải lượng chất nhiễm khơng khí hoạt động giao thơng phục vụ cho việc mơ q trình lan truyền chất nhiễm khơng khí cần thiết Để giảm lượng phát thải toàn diện, cần phải sử dụng phương pháp tính tổng lượng phát thải phương tiện giao thông sinh theo vùng, khu vực, quốc gia hàng năm, từ có chế kiểm soát, điều chỉnh nhằm đạt đến mục tiêu giảm lượng phát thải trì phát triển kinh tế xã hội Chính vậy, việc đo lường phát thải chất ô nhiễm hoạt động giao thông gây cần thiết đáp ứng nhu cầu cấp thiết Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) I TÌNH HÌNH GIAO THƠNG Theo số liệu từ Cục Đăng kiểm Việt Nam, thời gian trước năm 2010, nước có khoảng 20 triệu mơ tơ xe máy, năm 2010 tăng lên khoảng 24 triệu xe đến năm 2015, dự báo lượng xe máy lưu hành nước khoảng 31 triệu xe Theo báo cáo Bộ Tài nguyên Môi trường, q trình hoạt động, phương tiện giao thơng thải lượng lớn chất như: Bụi, CO, NOx, SOx, xăng dầu, bụi chì, benzen… vào mơi trường khơng khí Lượng khí thải, bụi… gây nhiễm tăng lên hàng năm với phát triển số lượng phương tiện giao thông đường Cụ thể, nồng độ bụi khơng khí thành phố như: Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng… nút giao thông cao tiêu chuẩn cho phép từ – lần; nồng độ khí CO, NO2 trung bình ngày số nút giao thông lớn vượt tiêu chuẩn cho phép từ 1,2 – 1,5 lần Hàng ngày, cần nửa số phương tiện hoạt động xả môi trường lượng lớn khí độc hại, có nhiều thành phần gây nên hiệu ứng nhà kính, gây loại bệnh như: Viêm nhiễm đường hô hấp nhiễm vi khuẩn, hen suyễn, viêm phế quản mạn tính, viêm mũi… Đặc biệt, tiếng ồn phát sinh từ hoạt động giao thơng đóng vai trò chủ yếu việc gây nhiễm Có 60 – 80% nguyên nhân tiếng ồn từ động như: Do ống xả, rung động phận xe, đóng cửa xe, còi xe, phanh xe, tương tác lốp xe mặt đường… Tiếng ồn gây tác hại lớn đến toàn thể nói chung quan thính giác nói riêng Tiếng ồn mạnh, thường xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi… Báo cáo cho thấy, phát thải phương tiện giới đường phụ thuộc nhiều vào chất lượng loại xe Đối với phương tiện xe ô tô, xe máy qua nhiều năm sử dụng có chất lượng thấp, hiệu sử dụng nhiên liệu thấp, nồng độ chất độc hại, bụi khí xả cao… nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng Trong đó, xe máy nguồn đóng góp loại khí nhiễm, đặc biệt khí thải CO, VOC… Xe tải xe khách loại lại thải nhiều NO2 Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Tại khu dân cư, mức độ ô nhiễm thấp từ đến lần so với trục đường giao thông Tuy nhiên, khu dân cư nằm đô thị lớn chịu ảnh hưởng rõ rệt giao thông, mức độ ô nhiễm vượt nhiều lần ngưỡng cho phép quy chuẩn Việt Nam (QCVN), đáng kể điểm tại: Hà Nội, Vĩnh Phúc, Bình Dương Ngược lại, khu dân cư đô thị quy mơ nhỏ vừa, chất lượng khơng khí đo tốt II PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG II.1 Khái niệm hệ số phát thải Hệ số phát thải phương tiện giao thông mức độ phát thải thành phần độc hại khí thải phương tiện (CO, HC, NOx, PM, CO ) tính km di chuyển đơn vị nhiên liệu tiêu thụ II.2 Các phương pháp Có hai phương pháp để xác định hệ số phát thải chất ô nhiễm hoạt động giao thông: - Phương pháp truyền thống – đo đạc trực tiếp khí thải loại phương tiện giao thơng lực kế - Phương pháp đại xác định hệ số phát thải điều kiện hoạt động giao thông thực tế II.2.1 Phương pháp truyền thống Phương pháp đo đạc phòng thí nghiệm xác định hệ số phát thải cách đo trực tiếp khí thải từ phương tiện giao thông thể số nghiên cứu [1], [2]… Hệ số phát thải chất nhiễm khơng khí xác định dựa nồng độ chất ô nhiễm ống thải, thể tích khí thải, tổng chiều dài đoạn đường vận hành chu trình thí nghiệm Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Hình 1: sơ đồ hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy Đưa xe vào phòng thí nghiệm, đặt xe băng thử, cho xe chạy với điều kiện giống với thực tế tiến hành xác định lượng khí thải phương tiện chúng hoạt động Lượng phát thải từ loại phương tiện giới (xe máy, xe con, xe tải…) sử dụng cơng thức sau: Trong đó: E tổng lượng phát thải (khối lượng/năm) e hệ số phát thải, (khối lượng/mức độ hoạt động phương tiện) A lượng nhiên liệu tiêu thụ (khối lượng/năm) khoảng cách lại (quãng đường/năm) EC tổng lượng phát thải gia tăng động khởi động nguội EV tổng lượng phát thải gia tăng nhiên liệu bốc a,b,c,d hệ số phụ thuộc loại nhiên liệu sử dụng, chủng loại xe, biện pháp hạn chế phát thải xe, loại đường, tốc độ xe Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Tuy nhiên, lượng phát thải gia tăng nhiên liệu bốc khởi động nguội không xác định nên công thức đơn giản sau sử dụng: Trong đó: Ei: Lượng phát thải năm xe thứ i (tấn/năm) ei: Hàm lượng phát thải xe thứ i (g/km) Li: Số km xe thứ i năm (km) - Tổng lượng phát thải loại xe vùng tính bằng: Từ cơng thức thấy để xác định lượng phát thải phương tiện phạm vi định cần phải biết hai thông số hàm lượng phát thải xe (e,g/km) số km xe năm (L)  Đây phương pháp tiêu chuẩn nhằm xác định hệ số phát thải phương tiện giao thơng Tuy nhiên, thí nghiệm lực kế phản ánh điều kiện lái xe thực tế phát thải từ bay nhiên liệu từ bình chứa Ngồi ra, thí nghiệm lực kế nhiều thời gian chi phí; kết số lượng phương tiện giao thông nghiên cứu mức giới hạn II.2.2 Phương pháp đại Phương pháp dựa việc xác định gián tiếp hệ số phát thải Có nhiều cách tiếp cận xem kỹ thuật đại bao gồm: nghiên cứu đường hầm, dùng mơ hình đảo ngược qui mô nhỏ - Các nghiên cứu đường hầm thực nhiều nơi giới Thụy Sỹ [3], Thụy Điển [4], Đài Loan [5], Nghiên cứu đường hầm có số ưu điểm: chi phí thấp, khơng xác định phát thải từ động mà xác định phát thải từ bay nhiên liệu Tuy nhiên, hạn chế phương pháp: Cần có đường hầm để thí nghiệm; việc phân loại theo phương tiện giao thông không chi tiết phân loại theo nhóm cho phép tính tốn hệ số phát thải số tốc độ giới hạn phương tiện giao thơng Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) - Sử dụng mơ hình đảo ngược chất lượng khơng khí, áp dụng lần Palmgren, (1999) [6] Đây phương pháp miêu tả mối quan hệ tải lượng ô nhiễm, phát tán chất ô nhiễm nồng độ chất ô nhiễm đo đạc được.Phương pháp sử dụng để xác định hệ số phát thải nhiều thành phố giới Fusijawa, Nhật Bản [7]; Brisbane,Australia [8]; Copenhagen, Đan Mạch [6],… Ưu điểm phương pháp xác định tải lượng ô nhiễm điều kiện thực tế thành phố Bên cạnh đó, phương pháp sử dụng mơ hình chất lượng khơng khí để tính tốn hệ số phát tán, nên độ xác việc tính tốn tải lượng phụ thuộc nhiều vào khả mô mô hình q trình phát tán chất nhiễm Một số ví dụ: Hình 2: mơ hình đo hệ số phát thải CO cảm biến từ xa trường đại học DENVER Là sử dụng cảm biến từ xa để phát lượng khí thải từ phương tiện chúng hoạt động Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Kiểm tra từ xa xe cung cấp tùy chọn hữu ích để đo khí thải xe cộ Các thuộc tính tích cực cảm biến từ xa để thử nghiệm xe khơng có khó khăn xe mua lại hàng trăm hàng nghìn xe kiểm tra thời gian ngắn Các âm phép đo phát xạ xác để đo lượng khí thải hàng loạt phạm vi phát thải theo nhu cầu xe điện khác mà đo giới hạn Các kiểm tra từ xa phổ biến bao gồm việc đặt chùm xạ đường tìm kiếm quang phổ hấp thụ từ khí thải - Các đường đường cao tốc đoạn đường nối gần loại đường phố, nơi đường cô lập Nồng độ CO, VOC, NOx, CO khí thải ước tính dựa liệu tập trung thu thập từ chùm ống xả xe Một số phương trình bắt nguồn dựa nồng độ khí đo chùm ống xả xe Nồng độ ống bơ xe ước tính với số phân tử chất gây ô nhiễm khác cho phân tử nhiên liệu xác định Những số biến thành khí thải cho lít nhiên liệu bị đốt cháy Kể từ tỷ lệ sử dụng nhiên liệu thay đổi theo nhu cầu điện xe với kích thước xe động cơng nghệ, khơng phải ước tính dễ dàng để thực hiện, hiểu biết vị trí thử nghiệm (chẳng hạn đoạn đường nối với đường cao tốc), sử dụng radar thiết bị đo tốc độ từ xa khác để đo gia tốc, thu thập hình ảnh giấy phép để xác định kích thước động làm cho giúp tăng cường hiểu biết số lượng xe cụ thể nhiên liệu sử dụng Như vậy, biết tỷ lệ sử dụng nhiên liệu xe biết tỷ lệ phát thải từ nhiên liệu xe Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Ví dụ: Thiết bị đo khí thải PEMS Mơ-đun điều khiển động ống xả khí Phân tích khí: CO, CO2, NOX, O2 Giao diện xe GPS thời tiết Pitot pin Dòng nhiệt nóng Hình 3: Thiết bị đo khí thải PEMS cho tơ Thiết bị PEMS thiết kế để đo lượng khí thải trình sử dụng thực tế xe động đốt Thiết bị gồm tập tin đính kèm ống, đường ống xả nước nóng, ống pitot để đo khối lượng xả nhiệt độ, máy phân tích khí thải, GPS, cảm biến nhiệt độ môi trường xung quanh độ ẩm, xả đường ống Khối lượng hệ thống bao gồm pin PEMS bên để cung cấp điện lên tới 80 kg tương đương với khối lượng hành khách PEMS chiếm tối đa 9% khối lượng xe thử nghiệm PEMS đo nồng độ khí thải chất gây ô nhiễm CO, NO x, CO2, NO, lưu lượng xả nhiệt độ khí thải… Để đo khí thải xe số tiêu chuẩn sau phải đáp ứng: - Các phép đo, nồng độ, dụng cụ nên đáng tin cậy lặp lại Các dụng cụ phải có khả đo khí thải phạm vi khí thải từ phương tiện thử nghiệm tiếng ồn phép đo không vượt biên - độ khí thải kiểm tra) Các dụng cụ phải đủ bền để chịu va đập chấn động xe thử - nghiệm Các thiết bị thu thập ghi liệu vào sở thứ hai Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) - Việc sử dụng thết bị điện phải nằm phạm vi cho phép pin để cung cấp - nguồn cho Trọng lượng thiết bị phải nằm phạm vi cho phép đặt vào - lấy khỏi xe cách dễ dàng, hợp lý Một phương tiện phải cung cấp xác định tỷ lệ lượng khí thải xe giây bởi sở thứ hai III Lựa chọn phương pháp Việc lựa chọn phương pháp xác định hệ số phát thải phù hợp với điều kiện khu vực cần thiết Đối với Việt Nam, sở phân tích ưu nhược điểm phương pháp xác định hệ số phát thải chất ô nhiễm nghiên cứu nhiều nước giới kết hợp với điều kiện thực tế Việt Nam cho thấy việc sử dụng phương pháp mơ hình tính ngược kết hợp với đo đạc hợp lý Bảng1: so sánh phương pháp xác định hệ số phát thải Phương Ưu điểm Nhược điểm pháp Phương Dùng lực kế (đo phát - Đo đạc xác - Chi phí cao - Phân biệt loại - Các điều kiện vận pháp thải từ ống khí thải) xe - Quy trình chuẩn truyền thống hành nhân tạo - Chỉ đánh giá phát thải từ ống khí thải Phương Trong đường hầm (đo - Rẻ tiền - Cần có đường hầm pháp đạc khơng khí xung - Điều kiện vận hành thực tế - Khơng phân biệt - Tính tốn loại nhiều loại xe đại quanh) phát thải (ống khí thải,sự Chỉ tính bay hơi,…) Trong đường kênh hở - Rẻ tiền cao (đo đạc khơng khí - Điều kiện vận hành thực tế - Tính tốn loại xung quanh) phát thải (ống khí thải,sự bay hơi,…) khoảng tốc độ giới hạn Khó khăn việc tính tốn q trình phát tán chất ô nhiễm Không phân biệt nhiều loại xe Chỉ tính tốc độ giới hạn Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) IV Ý nghĩa Đo lường phát thải xe cộ - Xác định hệ số phát thải hoạt động giao thông gây phục vụ việc mô lan truyền chất ô nhiễm - Giúp nhà nước, quan chức kiểm sốt khí thải => giảm lượng khí thải phát sinh VD: Việc nghiên cứu ứng dụng mơ hình phát thải giao thơng (Smoke) để phục vụ dự báo nhiễm khơng khí [10] Vào ngày 29 tháng năm 2002, Cục Bảo vệ Mơi trường Mỹ thức phát hành Mơ hình Hệ số Phát thải Giao thơng (MOBILE6) nhằm dự tính hợp chất hữu dễ bay (VOC), ô xit Nitơ (NOx) xít Các bon (CO) từ phương tiện giao thơng Mơ hình tập hợp đầy đủ thành tựu mối quan hệ hệ số phát thải với trạng trạng thái chuyển động phương tiện, mô hình có nhiều mơ đun để tính tốn, phân tích mối quan hệ sốdữ phát với(cho loạicả nhiên liệu, tình trạng đường v.v Trước hệ tiên, liệuthải VMT mạng lưới đường lẫn tổng đơn SMOKE công cụ tính tốn có hiệu quả, nhằm hỗ trợ định kiểm sốt vị hành chính) theo loại đường nhiễm ứng dụng cho khơng khí vùng thị khơng khí khu vực, EMC loại xe đưa vào (Environment Modeling Center) đưa năm 1996 tới Trường Đại học Phân nhóm SMOKE Tổng hợp North Caroline nghiên cứu phát triển, SMOKE cho phép xử lý nguồn di Bước phân nhóm hố học tính động theo hai cách: Nhập kiểm kê Sát nhập hệ số phân nhóm cho Chia lưới Cách thứ tính trước phát thải: tính giá trị phát thải di động đơn vị hành chính, loại đường, pháp phát hay thải phần(xả mềm trước chạy SMOKE cung cấp chúng cho dạng phương xe, trình SMOKE sốchạy, liệu đầu vào Phương pháp tính trước phát thảiMOBILE6 mô biến khởi động,như xả Khởi tạo bay hơi, ngàyra đêm), đổi biến phát trình thải gây nhiệt độ, độ ẩm, điều kiện khí tượng khác Cách thứ hai SMOKE chất nhiễm lưu trữ tính phát thải nguồn di động từ số liệu VMT vàotượng khác thông qua thông(Vehiclemiles tin cần thiết traveled), số liệu khí tượng, số liệu Xử lýđầu ĐK khí MOBILE6 Đây gọi phương pháp VMT.0 Bước chia lưới cấp phát nguồn kết nối theo ô lưới dùng đại diện không gian để cấp Điều khiển MOBIEL6 phát tổng phát thải theo đơn vị hành cho lưới, sau lưu giữ thông tin lại Cấp phát thời gian Bước chia lưới xây dựng hệ số “không phân lưới” dùng để tạo số liệu khí tượng bước xử lý điều kiện Nhóm khí tượng GVHD: Nguyễn Trần Hưng Chương trình Page 10 Hướng trao đổi số liệu Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Hình 4: Các bước xử lý nguồn di động phương pháp VMT Trước điều kiện khí tượng xử lý, chương trình khởi tạo MOBILE6 dùng thông tin lưới kiểm kê phát thải để tạo đầu vào cho bước xử lý trường khí tượng Bước xử lý trường khí tượng sử dụng thông tin từ bước khởi tạo MOBILE6 hệ số “khơng phân lưới” để tính biến thiên theo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm đơn vị hành MOBILE6 lấy yếu tố để tính hệ số phát thải theo Bước cấp phát thời gian liên kết số liệu VMT với hệ số phát thải thực thêm bước điều chỉnh theo thời gian để có phát thải theo cho trình phát thải Cuối cùng, bước sát nhập kết hợp phát thải theo giờ, hệ số cấp phát không gian, hệ số phân nhóm hố học để tính phát thải sẵn sàng cho đầu vào mơ hình Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page 11 Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Tài liệu tham khảo: [1] Heeb N.V., A comparison of benzene, toluene and C2-benzenes mixing ratios in automotive exhaust and in the suburban atmosphere during the introduction of catalytic converter technology to the Swiss Car Fleet, Atmospheric Environment 34, pp.3103-3116 (2000) [2] Tsai J H., The speciation of volatile organic compounds (VOCs) from motorcycle engine exhaust at different driving modes, Atmospheric Environment 37, pp 2485 - 2496 (2003) [3] Staehelin J., Keller C., Stahel W., Emission factors from road traffic from a tunnel study (Gubrist tunnel, Switzerland) Part III: results of organic compounds, SO2 and speciation of organic exhaust emission, Atmospheric Environment 32 (6), pp 999 - 1009 (1998) [4] Kristensson A., Johnsson C., Westerholm R., Swietlicki E., Gidhagen L., Wideqvist U., Real-world traffic emission factors of gases and particles measured in Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page 12 Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) a road tunnel in Stockholm, Sweden, Atmospheric Environment 38, pp 657 - 673 (2004) [5] Hung-Lung C., Ching-Shyung H., Shih-Yu C., Ming-Ching W., Ma Sen-Yi M., Emission factors and characteristics of criteria pollutants and volatile organic compounds (VOCs) in a freeway tunnel study, Science of the Total Environment 381, pp 200 - 211 (2007) [6] Palmgren F., Actual car fleet emissions estimated from urban air quality measurements and street pollution models, The Science of the Total Environment 235, pp 101 - 109 (1999) [7] Volatile organic compound emission factors from roadside measurements, Atmospheric Environment 40, pp 2301 - 2312 (2006) [8] Determination of average emission factors for vehicles on a busy road, Atmospheric Environment 37, pp 465 - 474 (2003) [9] Tạp chí phát triển KH&NC, Tập 13, số M2- 2010 Nghiên cứu xây dựng hệ số phát thải chất ô nhiễm từ phương tiện giao thông đường phù hợp với điều kiện thành phố Hồ Chí Minh [10] nghiên cứu Ứng dụng mơ hình phát thải giao thơng (smoke) phục vụ dự báo nhiễm khơng khí Việt Nam Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page 13 ... trình phát tán chất nhiễm Khơng phân biệt nhiều loại xe Chỉ tính tốc độ giới hạn Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) IV Ý nghĩa Đo lường phát thải xe cộ. .. để phát lượng khí thải từ phương tiện chúng hoạt động Nhóm GVHD: Nguyễn Trần Hưng Page Đo lường phát thải xe cộ (vehicle emissions) Kiểm tra từ xa xe cung cấp tùy chọn hữu ích để đo khí thải xe. .. Lượng phát thải năm xe thứ i (tấn/năm) ei: Hàm lượng phát thải xe thứ i (g/km) Li: Số km xe thứ i năm (km) - Tổng lượng phát thải loại xe vùng tính bằng: Từ cơng thức thấy để xác định lượng phát thải