EU LIFE+ Projekt LIFE10 ENV/CZ/651 MEDETOX Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D. Fakulta Strojní, Technická univerzita v Liberci michal.vojtisek@tul.cz, tel. (+420) 774 262 854 1

Spalovací motory jsou dnes jedním z největších zdrojů znečištění ovzduší + = 2

Počet automobilů (osobních i nákladních) na našich silnicích neustále roste 3

Automobilismus Praha, 2009 4

5

Nárůst intenzity dopravy způsobuje, že téměř polovina emisí pevných částic pochází z mobilních zdrojů 6 5 4 3 2 silniční nákladní doprava, desítky milionů tunokilometrů prodej motorové nafty, miliony tun 1 registrované automobily, miliony registrované nákladní vozy, statisíce 0 podíl dopravy na celkových emisích PM10, desítky procent Jan-98 Jan-99 Jan-00 Jan-01 Jan-02 Jan-03 Jan-04 Jan-05 Jan-06 Jan-07 Jan-08 Zdroj: Ročenka životního prostředí, MŽP ČR, 2007; Centrální registr motorových vozidel; Ministerstvo dopravy 6

Emise ze spalovacích motorů - částice Černé saze povětšinou čistý uhlík, částice mají velikost 0.1 až 1 mikrometr, mají složitý fraktální tvar připomínající sněhové vločky, na těchto částicích se nachytávají aerosoly, plyny, pyl, mikroorganismy, atd. Aerosoly směs organických látek z nespáleného nebo částečně spáleného paliva a oleje, kyseliny sírové a dusičné a jejich sloučenin, částice mají velikost řádově od 0.005 do 0.1 mikrometru, nejsou proto téměř viditelné Částice se zachycují a usazují v plicích, vyvolávají onemocnění dýchacích cest, napadají i srdce a mozek 7

Částice ve výfukových plynech naftového motoru Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 157 (2010) 1658 1670. 8

Typické velikostní spektrum částic - vznětové motory Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998 9

Zachycovací účinnost dýchacího ho systému A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008 10

Zachycovací účinnost dýchacího ho systému Lung deposition fraction: ET extrathoracic TB tracheobronchial PU pulmonary Particle mass median diameter: NM nucleation mode AM accumulation mode B. Alfoldy et al., Aerosol Science 40 (2009) 652 663. 11

Pronikání velmi jemných částic (desítky nm) ) buněč ěčnou membránou 1000 nm Polystyrene Particles 78 nm Polystyrene Particles Barbara Rothen-Rutishauer, as quoted by A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles 12

Koncentrace emitovaných částic jsou nejvyšší v přímép blízkosti dopravních tepen Inkrementální PM 2.5 koncentrace z těžkých vozidel se vznětovými motory (průjezd ve směru modrých šipek) Modelování: Konheim & Ketcham,, Brooklyn, New York 13

Prostorové rozložení imisí PM 10 (ATEM / Praha Životní prostředí 2009) 14

Prostorové rozložení zdrojů emisí PM (Český hydrometerologický ústav) 15

Poměrné riziko infarktu myokardu v závislosti na vzdálenosti od komunikace s vysokou intenzitou dopravy 3399 pacientů, věk 45-75, Essen, Germany (A. Mayer, TTM, Switzerland) Risiko OR 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 > 200 100-200 50-100 < 50 m Distanz Hoffmann 2006 16

Mikroskopické pevné částice vznikající spalováním jsou jedna z nejčastějších příčin předčasného úmrtí. V Kalifornii zabíjejí více lidí, než dopravní nehody, a přibližně stejně jako druhotný cigaretový kouř. 17

Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší v Praze? Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na 100 tis. obyvatel Zdroj: Praha - Životní prostředí 2009.? 18

Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší v Praze? Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na 100 tis. obyvatel Zdroj: Praha - Životní prostředí 2009.? 19

Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší v Praze? Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na 100 tis. obyvatel Zdroj: Praha - Životní prostředí 2009.? 20

Představení... Co děláme... d Měření emisí za reáln lného provozu a do budoucna plánujeme vzorkování emisí pro toxikologické analýzy Celý den jezdí auty sem a tam, aby ukázali, že ježdění autem je špatné pro životní prostředí. (Steve Taylor, New York) (A taky traktorem, kamionem, lokomotivou, bagrem, autobusem, sekačkou, nakladačem, malým letadlem, na motorce, trajektem,... ) 21

Jízda po dálnicid Osobní automobil, benzinový motor, 138 kwk 10 CO [g/s] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 17:25:00 17:25:30 17:26:00 17:26:30 17:27:00 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 16:55 17:05 17:15 17:25 17:35 17:45 17:55 18:05 18:15 18:25 18:35 18:45 18:55 19:05 19:15 19:25 17:27:30 17:28:00 17:28:30 17:29:00 Fraction of total trip CO 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100 Fraction of trip time % CO [g/s] 22

Automobil s naftovým motorem Škoda Octavia 2006, 103 kw, Euro 4 60 50 Rychlost [km/h] Emise PM [mg/s] 6 5 Rychlost [km/h] 40 4 30 3 20 2 10 1 0 0 16:25:00 16:35:00 16:45:00 16:55:00 17:05:00 17:15:00 17:25:00 emise PM [mg/s] Jízda ustálenou rychlostí - Takto byla provozována většina motorů v tunelových studiích TESO a při měřeních na zkušebně, ze kterých jsou vypočteny mnohé emisní faktory Toto je cesta po Praze po místních komunikacích (nikoliv po obchvatu) Rychlost [km/h] 60 50 40 30 20 Rychlost [km/h] Emise PM [mg/s] 6 5 4 3 2 emise PM [mg/s] 10 1 0 16:48:00 16:50:00 16:52:00 16:54:00 16:56:00 16:58:00 23 0

Reálný provoz... Vliv pečlivosti údržby (Malé procento motorů ve špatném stavu = velký podíl na celkových emisích) 24

Emise se zvyšuj ují s najetými km - a to ne stejně,, i pro jinak stejná vozidla! Příklad: Emise NMHC, autobusy poháněné zemním plynem Pittsburgh, Pennsylvánie, USA Měření za reálného provozu autorem, 1996-1999 HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5 1 1 2 2 3 3 17 17 18 18 20 20 HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 13 13 14 14 15 15 16 16 19 19 2.0 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.0 0.0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage 0.0 0.0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage 25

Nepoměrn rné množstv ství celkových emisí má na svědom domí nepoměrn rně malá část vozidel Graph: Prof. Donald Stedman, University of Denver, University lecture on vehicle emissions, 1995 26

Reálný provoz... Vliv kvality obsluhy Studený start Autobus International 3400 145 kw 6,0 l turbodiesel Normální jízda Agresivní jízda (při dodržení bezpečnosti provozu a předpisů) Velmi klidná jízda (bez omezení dopravy pomalou jízdou) Obsah kruhu je úměrný okamžitým emisím pevných částic, kruh = 1 s jízdy 27

Ekvivalentní z hlediska PM2,5 - ale ekvivalentní zdravotní riziko? Jedna anorganická částice o průměru 2000 nm (2 um) Tisíc částic sazí (element. uhlík) nanočástic o průměru 200 nm ve výfuk. plynech Milion organických nanočástic o průměru 20 nm x 1,000 x 1,000,000 28

Nákladní vůz Euro 5 Praha Stavební stroj Švýcarsko 29

EU LIFE+ Projekt LIFE10 ENV/CZ/651 - MEDETOX Ústav experimentální medicíny AV ČR, Technická univerzita v Liberci, Ministerstvo životního prostředí ČR Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu Městský provoz: -- nejvíce technicky náročný z hlediska emisí -- nejvyšší míra expozice (blízkost, počet lidí) 30