Published 2024 | Version v1
Miscellaneous Open

Reduction of future nitrogen oxide and particulate emissions in North Rhine-Westphalia through utilisation of alternative fuels and propulsion systems

Description

This thesis aims to answer the research question of how alternative fuels and powertrains can reduce nitrogen oxide (NOx) and particulate matter (PM) emissions in hotspots. The thesis proposes a new spatial bottom-up model that computes mileages and local pollutants of road transport, inland waterway transport, rail transport and air transport for North Rhine-Westphalia (NRW) as representative case study. The model is organised in sub-modules. For instance, one module determines mileages and transport performances for each section of the transport networks using timetables, flight schedules, data from the Federal Statistical Office and a developed statistical model. Another module calculates emissions on each network section taking different vehicle classes, vehicle sizes, emission technologies, powertrains and fuels into account. Finally, a novel module balances emissions in urban areas for a following analysis. Besides the calculation of current emissions, several scenarios for future developments of the transport sector and their emissions were considered in the case study. Boundary conditions for future scenarios were set using forecasts of traffic performances for inland waterway transport and air transport, a developed model approach for forecasting road transport mileages, and devised approaches for determining fleet developments. The assumption for the reference scenarios was the continuation of using conventional fuels. The other tested scenarios included various alternative fuel options and powertrains, which were selected based on a novel methodology for selecting promising future fuel options. More specifically, the fuel options for road transport were Fischer-Tropsch diesel/ hydrogenated vegetable oil, Methanol to Gasoline, natural gas, dimethyl ether, hydrogen in fuel cells and electric power. Meanwhile, the fuel options for inland waterway transport were natural gas as well as hydrogen in fuel cells and internal combustion engines and for avitation the fuel option was Fischer-Tropsch kerosene. These and the reference scenarios were simulated with the proposed model. The result of the case study was that the urban areas of Aachen and Wuppertal as well as urban areas in Rhine and Ruhr regions are the most critical current emission hotspots in North Rhine-Westphalia. Road transport currently accounts for the largest share of pollutants emitted in emission hotspots. Inland navigation shows moderately high shares in current NOx and PM2.5 emissions in the vicinity of the Rhine, while rail transport is only responsible for larger shares of the less harmful PM10 emissions due to abrasion. Air transport only produces a moderately high share of emissions in the vicinity of the international airport Düsseldorf. The results of this work already show a strong and respectively moderate reduction in combustionrelated emissions from road and inland waterway transport for further utilization of conventional fuels, whereas those from air transport increase slightly. Overall, this will lead to a future easing of NOx emissions away from the Rhine region and the airports of Cologne and Düsseldorf. Furthermore, the share and significance of abrasion-related PM emissions will increase strongly in the future. In the short term, the with existing vehicles compatible drop-in fuels Fischer-Tropsch diesel and Fischer-Tropsch kerosene have a high reduction potential. However, it will be mandatory to switch to hydrogen- or electricity-based powertrains in the long term for larger emission reductions. When discussing these results, it became clear, that the low technology readiness level of alternative low emission propulsion systems for inland waterway transport and air transport is critical. Moreover, guidelines for abrasion emissions are needed to encourage the state of research on these. It is still an open question how a large market share of electric vehicles will affect local abrasion emissions. In conclusion, the results of this work are a robust basis for devising strategies for air pollution control in current emission hotspots and a further criterion for the selection of promising future fuels and powertrains.

Abstract (German)

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung der zentralen Forschungsfrage, inwiefern alternative Energietr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ger und Antriebe lokale Stickstoffoxid (NO<##>x$_x$_x)- und Partikelmasse (PM)-Emissionen in Hotspots reduzieren k#Latin Small Letter O With Diaeresis#nnen. Hierf#Latin Small Letter U With Diaeresis#r wurde ein r#Latin Small Letter A With Diaeresis#umliches Bottom-Up Modell zur Berechnung von Fahrleistungen und Emissionen von Stra#Latin Small Letter Sharp S#enverkehr, Binnenschifffahrt, Schienenverkehr und Flugverkehr f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r das repr#Latin Small Letter A With Diaeresis#sentative Modellgebiet Nordrhein-Westfalen entwickelt. Die Fahr- und Verkehrsleistungen f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die einzelnen Abschnitte der Transportnetze wurden basierend auf Fahrpl#Latin Small Letter A With Diaeresis#nen, Flugpl#Latin Small Letter A With Diaeresis#nen, Daten des Statistischen Bundesamtes und einem entwickelten statistischem Modell ermittelt. F#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die Berechnung der Emissionen wurden unterschiedliche Fahrzeugklassen, Fahrzeuggr#Latin Small Letter O With Diaeresis##Latin Small Letter Sharp S#en, Emissionstechnologien, Antriebe und Energietr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ger ber#Latin Small Letter U With Diaeresis#cksichtigt. Des Weiteren wurde eine neuartige Methodik zur Bilanzierung von Emissionen in Stadtgebieten entwickelt. Neben der Berechnung der aktuellen Emissionen wurden unterschiedliche Szenarien f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r zuk#Latin Small Letter U With Diaeresis#nftige Entwicklungen des Verkehrssektors und deren Emissionen betrachtet. Hierf#Latin Small Letter U With Diaeresis#r wurden unter anderem prognostizierte Verkehrsleistungen f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r Binnenschifffahrt und Flugverkehr, ein entwickeltes Prognosemodell f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r Fahrleistungen des Stra#Latin Small Letter Sharp S#enverkehrs sowie entwickelte Ans#Latin Small Letter A With Diaeresis#tze zur Ermittlung der Flottenentwicklungen ber#Latin Small Letter U With Diaeresis#cksichtigt. Die Annahme f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die Referenzszenarien war die zuk#Latin Small Letter U With Diaeresis#nftige Nutzung konventioneller Energietr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ger. Die alternativen Szenarien umfassen verschiedene alternative Kraftstoffoptionen und Antriebsstr#Latin Small Letter A With Diaeresis#nge, welche basierend auf einer neuartigen Methodik zur Selektion vielversprechender zuk#Latin Small Letter U With Diaeresis#nftiger Energietr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ger ausgew#Latin Small Letter A With Diaeresis#hlt wurden. F#Latin Small Letter U With Diaeresis#r den Stra#Latin Small Letter Sharp S#enverkehr wurden die Energietr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ger Fischer-Tropsch-Diesel/hydriertes Pflanzen#Latin Small Letter O With Diaeresis#l, Methanol to Gasoline-Benzin, Erdgas, Dimethylether, Wasserstoff in der Brennstoffzelle und elektrischer Strom ausgew#Latin Small Letter A With Diaeresis#hlt. F#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die Binnenschifffahrt wurden indessen Erdgas und Wasserstoff in der Brennstoffzelle und im Verbrennungsmotor untersucht, w#Latin Small Letter A With Diaeresis#hrend f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r den Flugverkehr Fischer-Tropsch-Kerosin ber#Latin Small Letter U With Diaeresis#cksichtigt wurde. Die Szenarien wurden anschlie#Latin Small Letter Sharp S#end mithilfe des Modells berechnet. In Folge der Analysen wurden im Modellgebiet Nordrhein-Westfalen die Stadtgebiete von Aachen und Wuppertal sowie Stadtgebiete im Rhein- und Ruhrgebiet als aktuelle Emissionshotspots identifiziert. Aktuell hat der Stra#Latin Small Letter Sharp S#enverkehr den gr#Latin Small Letter O With Diaeresis##Latin Small Letter Sharp S#ten Anteil an den in Emissionshotspots emittierten Schadstoffen. Die Binnenschifffahrt hingegen weist in Rheinn#Latin Small Letter A With Diaeresis#he moderat hohe Anteile bei aktuellen NO<##>x$_x$_x- und PM2.5-Emissionen auf, w#Latin Small Letter A With Diaeresis#hrend der Schienenverkehr ausschlie#Latin Small Letter Sharp S#lich bei den weniger gesundheitssch#Latin Small Letter A With Diaeresis#dlichen PM10-Emissionen h#Latin Small Letter O With Diaeresis#here abriebsbedingte Anteile aufweist. Der Flugverkehr produziert nur in der N#Latin Small Letter A With Diaeresis#he des Flughafens D#Latin Small Letter U With Diaeresis#sseldorf einen moderat hohen Anteil an den Emissionen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen bei weiterer Nutzung konventioneller Kraftstoffe bereits eine starke bzw. mittlere Reduktion der verbrennungsbedingten Emissionen des Stra#Latin Small Letter Sharp S#enverkehrs und der Binnenschifffahrt, w#Latin Small Letter A With Diaeresis#hrend jene des Flugverkehrs leicht steigen. Dies f#Latin Small Letter U With Diaeresis#hrt zu einer zuk#Latin Small Letter U With Diaeresis#nftigen Reduktion der NO<##>x$_x$_x-Emissionen abseits des Rheingebiets und der Flugh#Latin Small Letter A With Diaeresis#fen K#Latin Small Letter O With Diaeresis#ln und D#Latin Small Letter U With Diaeresis#sseldorf. Au#Latin Small Letter Sharp S#erdem wird der Anteil an abriebsbedingten PM-Emissionen in Zukunft steigen. Kurzfristig haben die mit bestehenden Fahrzeugen kompatiblen Kraftstoffe Fischer-Tropsch-Diesel und -Kerosin hohe Reduktionspotentiale. Langfristig ist hingegen der Wechsel auf wasserstoff- oder strombasierte Antriebe f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r gr#Latin Small Letter O With Diaeresis##Latin Small Letter Sharp S#ere Emissionsminderungen zwingend erforderlich. Bei der Diskussion dieser Ergebnisse wurde deutlich, dass der geringe Technologiereifegrad von alternativen emissionsarmen Antriebssystemen f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die Binnenschifffahrt und den Flugverkehr kritisch ist. Des Weiteren sind Richtlinien f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r Abriebemissionen erforderlich, um den Stand der Forschung zu diesen zu f#Latin Small Letter O With Diaeresis#rdern. Es ist noch offen, wie sich ein gro#Latin Small Letter Sharp S#er Marktanteil von Elektrofahrzeugen auf die Abriebemissionen auswirken wird. Zusammengefasst sind die Ergebnisse dieser Arbeit einerseits eine robuste Grundlage zur Entwicklung von Strategien zur Luftreinhaltung in aktuellen Emissionshotspots und anderseits ein weiteres Kriterium zur Selektion vielversprechender zuk#Latin Small Letter U With Diaeresis#nftiger Energietr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ger.

Files

DE25F0898.pdf

Files (108.8 MB)

Name Size Download all
md5:8edd8663be6e762857ecbd35e3b32203
108.8 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Senkung zukünftiger Stickoxid- und Partikelemissionen in Nordrhein-Westfalen durch den Einsatz alternativer Energieträger und Antriebe

Publishing Information

ISBN
978-3-95806-760-8
Imprint Pagination
357 p.
Journal Title
Schriften des Forschungszentrums J#Latin Small Letter U With Diaeresis#lich, Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment
Journal Volume
632
Series
Schriften des Forschungszentrums J#Latin Small Letter U With Diaeresis#lich, Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment
ISSN
1866-1793
Report number
INIS-DE--4717