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.

Lời mở đầu:

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

I TÌNH HÌNH GIAO THÔNG

Theo số liệu từ Cục Đăng kiểm Việt Nam, thời gian trước năm 2010, cả nước

có khoảng 20 triệu mô tô và xe máy, năm 2010 đã tăng lên khoảng 24 triệu xe và đến năm 2015, dự báo lượng xe máy lưu hành trong cả nước khoảng 31 triệu xe

Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong quá trình hoạt động, các phương tiện giao thông thải lượng lớn các chất như: Bụi, CO, NOx, SOx, hơi xăng dầu, bụi chì, benzen… vào môi trường không khí

Lượng khí thải, bụi… gây ô nhiễm đang tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng các phương tiện giao thông đường bộ Cụ thể, nồng độ bụi trong không khí ở các thành phố như: Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng… tại các nút giao thông cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 – 5 lần; nồng độ khí CO, NO2 trung bình ngày ở một số nút giao thông lớn đã vượt tiêu chuẩn cho phép từ 1,2 – 1,5 lần

Hàng ngày, chỉ cần một nửa số phương tiện trên hoạt động cũng đã xả ra môi trường một lượng lớn các khí độc hại, trong đó có nhiều thành phần gây nên hiệu ứng nhà kính, gây ra các loại bệnh như: Viêm nhiễm đường hô hấp do nhiễm vi khuẩn, hen suyễn, viêm phế quản mạn tính, viêm mũi…

Đặc biệt, tiếng ồn phát sinh từ các hoạt động giao thông cũng đóng vai trò chủ yếu trong việc gây ô nhiễm Có 60 – 80% các nguyên nhân do tiếng ồn từ động cơ như: Do ống xả, do rung động các bộ phận xe, đóng cửa xe, còi xe, phanh xe, do sự tương tác giữa lốp xe và mặt đường… Tiếng ồn gây tác hại rất lớn đến toàn bộ cơ thể nói chung và cơ 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 cũng cho thấy, sự phát thải của các phương tiện cơ giới đường bộ phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các loại xe Đối với các phương tiện như xe ô tô, xe máy qua nhiều năm sử dụng có chất lượng thấp, hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp, nồng độ chất độc hại, bụi trong khí xả cao… là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng Trong đó, xe máy là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt là các khí thải CO, VOC… Xe tải và xe khách các loại lại thải nhiều NO2

Tại các khu dân cư, mức độ ô nhiễm thấp hơn từ 2 đến 3 lần so với các trục đường giao thông Tuy nhiên, đối với khu dân cư nằm trong các đô thị lớn chịu ảnh hưởng rõ rệt của giao thông, mức độ ô nhiễm vẫn vượt nhiều lần ngưỡng cho phép quy chuẩn Việt Nam (QCVN), đáng kể như các điểm tại: Hà Nội, Vĩnh Phúc, Bình Dương Ngược lại, ở các khu dân cư đô thị quy mô nhỏ và vừa, chất lượng không khí đo được còn khá tốt

II.1 Khái niệm hệ số phát thải

Hệ số phát thải của phương tiện giao thông là mức độ phát thải một thành phần độc hại nào đó trong khí thải của phương tiện (CO, HC, NOx, PM, CO2 ) tính trên mỗi km di chuyển hoặc trên mỗi đơn vị nhiên liệu tiêu thụ

II.2 Các phương pháp

Có hai phương pháp chính để xác định hệ số phát thải các chất ô nhiễm do hoạt động giao thông:

- Phương pháp truyền thống – đo đạc trực tiếp khí thải trên từng loại phương tiện giao thông bằng lực kế

- Phương pháp hiện đại xác định hệ số phát thải trên điều kiện hoạt động giao thông thực tế

II.2.1 Phương pháp truyền thống

Phương pháp đo đạc trong phòng thí nghiệm xác định hệ số phát thải bằng cách

đo trực tiếp khí thải thoát ra từ các phương tiện giao thông thể hiện ở một số nghiên cứu [1], [2]…

Hệ số phát thải của các chất ô nhiễm không khí được xác định dựa trên nồng

độ của chất ô nhiễm tại ống thải, thể tích khí thải, tổng chiều dài đoạn đường vận hành trong một chu trình thí nghiệm

Hình 1: sơ đồ hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy

Đưa xe vào một phòng thí nghiệm, đặt xe trên băng thử, cho xe chạy với các điều kiện giống với thực tế rồi tiến hành xác định lượng khí thải của phương tiện

khi chúng đang hoạt động

Lượng phát thải từ một loại phương tiện cơ giới (xe máy, xe con, xe tải…) có thể sử dụng công thức như sau:

Trong đó:

E là tổng lượng phát thải (khối lượng/năm)

e là hệ số phát thải, (khối lượng/mức độ hoạt động của phương tiện)

A là lượng nhiên liệu tiêu thụ (khối lượng/năm) hoặc khoảng cách đi lại (quãng đường/năm)

EC là tổng lượng phát thải gia tăng khi động cơ khởi động nguội

EV là tổng lượng phát thải gia tăng do nhiên liệu bốc hơi

a,b,c,d là các hệ số phụ thuộc loại nhiên liệu sử dụng, chủng loại xe, biện pháp hạn chế phát thải của xe, loại đường, tốc độ xe

Tuy nhiên, lượng phát thải gia tăng do nhiên liệu bốc hơi và do khởi động nguội là không xác định nên công thức đơn giản sau được sử dụng:

Trong đó:

Ei: Lượng phát thải trong một năm của xe thứ i (tấn/năm)

ei: Hàm lượng phát thải của xe thứ i (g/km)

Li: Số km xe thứ i đi được trong một năm (km)

- Tổng lượng phát thải của các loại xe trong một vùng tính bằng:

Từ các công thức có thể thấy rằng để xác định lượng phát thải của các phương tiện trong một phạm vi nhất định cần phải biết hai thông số cơ bản là hàm lượng phát thải của xe (e,g/km) và số km xe đi được trong một năm (L)

 Đây là một trong những phương pháp tiêu chuẩn nhằm xác định hệ số phát thải của các phương tiện giao thông Tuy nhiên, các thí nghiệm bằng lực kế không thể phản ánh các điều kiện lái xe trong thực tế và phát thải từ sự bay hơi nhiên liệu từ bình chứa Ngoài ra, thí nghiệm bằng lực kế mất nhiều thời gian và chi phí; cũng như đối với kết quả vì số lượng các phương tiện giao thông trong các nghiên cứu này chỉ ở mức giới hạn

II.2.2 Phương pháp hiện đại

Phương pháp này dựa trên việc xác định gián tiếp hệ số phát thải

Có nhiều cách tiếp cận có thể được xem là kỹ thuật hiện đại bao gồm: nghiên cứu trong đường hầm, dùng mô hình đảo ngược ở qui mô nhỏ

- Các nghiên cứu trong đường hầm được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới như ở Thụy

Sỹ [3], Thụy Điển [4], Đài Loan [5], Nghiên cứu trong đường hầm có một số ưu điểm: chi phí thấp, không những xác định được phát thải từ động cơ mà còn xác định phát thải từ sự bay hơi của nhiên liệu Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp: Cần có đường hầm để thí nghiệm; việc phân loại theo các phương tiện giao thông không chi tiết chỉ phân loại được theo các nhóm chính và chỉ cho phép tính toán hệ số phát thải ở một số tốc độ giới hạn của các phương tiện giao thông

- Sử dụng mô hình đảo ngược chất lượng không khí, được áp dụng lần đầu tiên bởi Palmgren, (1999) [6] Đây là phương pháp miêu tả mối quan hệ giữa tải lượng ô nhiễm, sự phát tán chất ô nhiễm và nồng độ các chất ô nhiễm đo đạc được.Phương pháp này đã được sử dụng để xác định hệ số phát thải ở nhiều thành phố trên thế giới như ở Fusijawa, Nhật Bản [7]; Brisbane,Australia [8]; Copenhagen, Đan Mạch [6],…

Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định được tải lượng ô nhiễm trong từng điều kiện thực tế của từng thành phố Bên cạnh đó, vì phương pháp này sử dụng mô hình chất lượng không khí để tính toán hệ số phát tán, nên độ chính xác của việc tính toán tải lượng sẽ phụ thuộc nhiều vào khả năng mô phỏng của mô hình quá trình phát tán của chất ô nhiễm

Một số ví dụ:

Hình 2: mô hình đo hệ số phát thải CO bằng cảm biến từ xa của trường đại học DENVER

Là sử dụng cảm biến từ xa để phát hiện lượng khí thải từ các phương tiện đó khi chúng đang hoạt động

Kiểm tra từ xa của xe cung cấp một tùy chọn hữu ích để đo khí thải xe cộ Các thuộc tính tích cực của cảm biến từ xa để thử nghiệm chiếc xe là không có khó khăn

xe mua lại và hàng trăm hoặc hàng nghìn chiếc xe có thể được kiểm tra trong một thời gian ngắn Các âm là các phép đo phát xạ ít chính xác nhất để đo lượng khí thải hàng loạt và phạm vi phát thải theo nhu cầu xe điện khác nhau mà có thể đo được giới hạn

Các kiểm tra từ xa phổ biến nhất bao gồm việc đặt một chùm bức xạ trên một làn đường và tìm kiếm quang phổ hấp thụ từ khí thải

- Các đường có thể là một đường cao tốc trên đoạn đường nối hoặc gần như bất kỳ loại đường phố, nơi một làn đường duy nhất có thể được cô lập Nồng độ CO, VOC, NOx, CO và 2 trong khí thải có thể được ước tính dựa trên các dữ liệu tập trung được thu thập từ chùm ống xả xe

Một số phương trình có thể được bắt nguồn dựa trên nồng độ các khí đo trong chùm ống xả xe

Nồng độ trong ống bô xe có thể được ước tính cùng với một số phân tử của các chất gây ô nhiễm khác nhau cho mỗi phân tử nhiên liệu cũng có thể được xác định Những con số đó có thể được biến thành khí thải cho mỗi lít nhiên liệu bị đốt cháy Kể từ khi tỷ lệ sử dụng nhiên liệu thay đổi theo nhu cầu điện trên xe và với kích thước xe và động cơ công nghệ, đây không phải là một ước tính dễ dàng để thực hiện, nhưng sự hiểu biết về vị trí của thử nghiệm (chẳng hạn như một trên đoạn đường nối với đường cao tốc), sử dụng radar hoặc thiết bị đo tốc độ từ xa khác để

đo gia tốc, và thu thập hình ảnh của tấm giấy phép để xác định kích thước động cơ

và làm cho có thể giúp tăng cường sự hiểu biết của một số lượng xe cụ thể của nhiên liệu đang được sử dụng

Như vậy, nếu biết được tỷ lệ sử dụng nhiên liệu của chiếc xe thì sẽ biết được

tỷ lệ phát thải từ nhiên liệu của chiếc xe

Phân tích khí: CO, CO2, NOX, O2 Giao diện xe

GPS thời tiết Pitot pin

Mô-đun điều khiển động cơ ống xả khí

Dòng nhiệt nóng

Ví dụ: Thiết bị đo khí thải PEMS.

Hình 3: Thiết bị đo khí thải PEMS cho ô tô

Thiết bị PEMS được thiết kế để đo lượng khí thải trong quá trình sử dụng thực tế của một xe động cơ đốt trong Thiết bị gồm một tập tin đính kèm đuôi ống, đường ống xả nước nóng, một ống pitot để đo khối lượng xả nhiệt độ, máy phân tích khí thải, GPS, cảm biến nhiệt độ môi trường xung quanh và độ ẩm, xả đường ống

Khối lượng của hệ thống bao gồm một pin PEMS bên ngoài để cung cấp điện lên tới 80 kg và tương đương với khối lượng một hành khách PEMS chiếm tối đa 9% khối lượng của xe thử nghiệm

PEMS đo nồng độ khí thải của các chất gây ô nhiễm CO, NOx, CO2, NO, các lưu lượng xả và nhiệt độ khí thải…

Để đo khí thải trên một chiếc xe thì một số tiêu chuẩn sau phải được đáp ứng:

- Các phép đo, nồng độ, dụng cụ nên đáng tin cậy và có thể lặp lại

- Các dụng cụ phải có khả năng đo khí thải trong phạm vi của các khí thải từ các phương tiện đang được thử nghiệm 9 tiếng ồn của phép đo không được vượt quá biên

độ của khí thải khi kiểm tra)

- Các dụng cụ phải đủ bền để chịu được va đập và chấn động trên xe đang được thử nghiệm

- Các thiết bị có thể thu thập và ghi dữ liệu vào một cơ sở thứ hai

- Việc sử dụng thết bị điện phải nằm trong phạm vi cho phép pin để có thể cung cấp nguồn cho nó

- Trọng lượng của các thiết bị phải nằm trong phạm vi cho phép nó có thể được đặt vào

và lấy ra khỏi xe một cách dễ dàng, hợp lý

- Một phương tiện phải được cung cấp xác định tỷ lệ lượng khí thải của chiếc xe trên một giây bởi bởi cơ sở thứ hai

III Lựa chọn phương pháp

Việc lựa chọn phương pháp xác định hệ số phát thải phù hợp với điều kiện của một khu vực là rất cần thiết

Đối với Việt Nam, trên cơ sở phân tích những ưu nhược điểm của từng phương pháp xác định hệ số phát thải chất ô nhiễm hiện đang được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới và kết hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam cho thấy việc sử dụng phương pháp mô hình tính ngược kết hợp với đo đạc là hợp lý nhất

Bảng1: so sánh các phương pháp xác định hệ số phát thải

Phương

pháp

Phương

pháp

truyền

thống

Dùng lực kế (đo phát thải từ ống khí thải)

- Đo đạc chính xác

- Phân biệt được các loại xe

- Quy trình chuẩn

- Chi phí cao

- Các điều kiện vận hành nhân tạo

- Chỉ đánh giá được phát thải từ ống khí thải

Phương

pháp

hiện đại

Trong đường hầm (đo đạc không khí xung quanh)

-Rẻ tiền

-Điều kiện vận hành thực tế

-Tính toán được các loại phát thải (ống khí thải,sự bay hơi,…)

-Cần có đường hầm

- Không phân biệt nhiều loại xe

Chỉ tính được trong khoảng tốc độ giới hạn Trong đường kênh hở

cao (đo đạc không khí xung quanh)

-Rẻ tiền

-Điều kiện vận hành thực tế

-Tính toán được các loại phát thải (ống khí thải,sự bay hơi,…)

Khó khăn trong việc tính toán quá trình phát tán chất ô nhiễm Không phân biệt nhiều loại xe

Chỉ tính được trong tốc độ giới hạn

Nhập kiểm kê Sát nhập

Phân nhóm

Chia lưới

Khởi tạo MOBILE6

Xử lý ĐK khí tượng

Điều khiển MOBIEL6

Cấp phát thời gian

IV Ý nghĩa của Đo lường phát thải xe cộ

- Xác định hệ số phát thải do hoạt động giao thông gây ra phục vụ việc mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm

- Giúp nhà nước, các cơ quan chức năng kiểm soát khí thải => giảm lượng khí thải phát sinh

VD: Việc nghiên cứu ứng dụng mô hình phát thải do giao thông (Smoke) để phục vụ

dự báo ô nhiễm không khí [10]

Vào ngày 29 tháng 1 năm 2002, Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ chính thức phát hành Mô hình Hệ số Phát thải Giao thông (MOBILE6) nhằm dự tính các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), các ô xit Nitơ (NOx) và các ô xít Các bon (CO) từ các phương tiện giao thông Mô hình này đã tập hợp đầy đủ các thành tựu mới nhất về mối quan hệ giữa hệ số phát thải với hiện trạng và trạng thái chuyển động của phương tiện, mô hình có nhiều mô đun để tính toán, phân tích mối quan hệ giữa các

hệ số phát thải với loại nhiên liệu, tình trạng của đường v.v

SMOKE là công cụ tính toán có hiệu quả, nhằm hỗ trợ ra các quyết định về kiểm soát

ô nhiễm ứng dụng cho không khí vùng đô thị và không khí khu vực, do EMC (Environment Modeling Center) đưa ra năm 1996 và tới nay được Trường Đại học Tổng hợp North Caroline nghiên cứu và phát triển, SMOKE cho phép xử lý nguồn di động theo hai cách:

- Cách thứ nhất là tính trước phát thải: tính các giá trị phát thải di động bằng một phương pháp hay phần mềm nào đó trước khi chạy SMOKE và cung cấp chúng cho SMOKE như là số liệu đầu vào Phương pháp tính trước phát thải mô phỏng các biến đổi phát thải gây ra bởi nhiệt độ, độ ẩm, hoặc các điều kiện khí tượng khác

- Cách thứ hai là SMOKE sẽ tính phát thải do nguồn di động từ số liệu VMT (Vehiclemiles traveled), số liệu khí tượng, và các số liệu đầu vào khác thông qua MOBILE6 Đây gọi là phương pháp VMT.0

Trước tiên, dữ liệu VMT (cho cả

mạng lưới đường lẫn tổng đơn

vị hành chính) theo loại đường

và loại xe được đưa vào

SMOKE

Bước phân nhóm hoá học sẽ tính

các hệ số phân nhóm cho mỗi

đơn vị hành chính, loại đường,

dạng xe, quá trình phát thải (xả

khi khởi động, xả khi chạy, do

bay hơi, biến trình ngày đêm),

các chất ô nhiễm và lưu trữ các

thông tin cần thiết

Bước chia lưới sẽ cấp phát các

nguồn kết nối theo các ô lưới và

dùng đại diện không gian để cấp

phát tổng phát thải theo đơn vị

hành chính cho các ô lưới, sau

đó lưu giữ các thông tin lại

Bước chia lưới cũng xây dựng