An evaluation of renewable fuels´ potential to reduce global and local emissions in non-road and heavy-duty on-road sectors

Abstract

Achieving carbon neutrality in the European Union by 2050 requires deep reductions in greenhouse gas emissions in all forms of transport. Powertrain electrification and hybridisation are growing trends for light vehicles. Instead, electrification of maritime and heavy long-distance transport is far more difficult due to their massive energy needs. Battery technology is also problematic for mobile non-road machinery operating for long periods far from the charging infrastructure. However, fuel choices can significantly influence greenhouse gas emissions from internal combustion engines. Therefore, a transition to alternative fuels is one of the strategies under discussion.

This study investigated the emission performance of two alternative fuels: biomethane and tall oil-based renewable diesel. In addition to greenhouse gas emissions, the harmful local emissions originating from fuel combustion were investigated. Biomethane was evaluated through a case study of a RoPax vessel operating in the Baltic Sea. In addition, real-driving emissions from a biomethane-powered city bus were measured. The study of renewable diesel´s emissions was carried out with engine experiments on an off-road diesel engine under laboratory conditions.

Greenhouse gas emissions were calculated over the entire life cycle of the fuels. The results showed that using renewable fuels derived from sustainable biomass sources can reduce life-cycle greenhouse gas emissions by 65−90 % compared with fossil fuels. In addition, biomethane and renewable diesel can immediately improve local air quality by reducing local emissions. Burning liquefied biomethane reduced particulate matter by 80 % relative to marine diesel oil. Sulphur dioxide emissions were negligible and NOx emissions were low. Renewable diesel slightly reduced all regulated local gaseous emissions. The reduction in particulate number was more significant, at up to 26 % compared with conventional market diesel.

Biomethane and renewable diesel proved to be effective ways to decarbonise transport in the short to medium term in hard-to-abate sectors with no immediate alternatives. The primary concern with biomethane and renewable diesel today is their limited availability. Guaranteed long-term policy is needed to scale up the supply of sustainably produced biofuels and accelerate the necessary investments.

Hiilineutraaliuuden saavuttaminen EU:ssa vuoteen 2050 mennessä vaatii kasvihuonekaasujen merkittävää vähentämistä koko liikennesektorilta. Sähköistys ja hybridisaatio ovat kasvavia trendejä kevyissä ajoneuvoissa. Sen sijaan raskaan runkoliikenteen ja laivaliikenteen vaatimat suuret energiamäärät on vaikea korvata sähköllä. Liikkuvien työkoneiden kohdalla sähköistystä vaikeuttaa puuttuva latausinfrastruktuuri. Polttomoottoreiden kasvihuonekaasupäästöihin voidaan kuitenkin merkittävästi vaikuttaa polttoainevalinnoilla. Tämän vuoksi siirtyminen vaihtoehtoisiin polttoaineisiin on yksi keskustelun kohteena olevista strategioista.

Tässä tutkimuksessa selvitettiin biometaanin ja mäntyöljypohjaisen uusiutuvan dieselpolttoaineen käytön vaikutuksia päästöihin. Kasvihuonekaasupäästöjen lisäksi selvitettiin polttoaineiden poltosta aiheutuvat haitalliset paikallispäästöt. Biometaania tutkittiin Itämerellä liikennöivään matkustaja-autolauttaan kohdistuvalla tapaustutkimuksella. Lisäksi tutkittiin biometaanikäyttöisen kaupunkibussin ajonaikaisia päästöjä todellisissa ajo-olosuhteissa. Uusiutuvalla dieselillä päästömittaukset tehtiin työkonedieselmoottorikokeilla laboratorio-olosuhteissa.

Kasvihuonekaasupäästöt laskettiin polttoaineiden koko elinkaaren ajalta. Tulokset osoittivat, että kestävistä biomassalähteistä tuotettujen uusiutuvien polttoaineiden käyttö voi vähentää elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä 65–90 % fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Lisäksi biometaanilla ja uusiutuvalla dieselillä voidaan välittömästi parantaa paikallista ilmanlaatua, koska polton aikaiset paikallispäästöt vähenevät. Nesteytetty biometaani pienensi meriliikenteen hiukkaspäästöjä 80 % dieselöljykäyttöön verrattuna. Rikkidioksidipäästöt vähenivät 99 % dieselöljyyn verrattuna ja typen oksidit olivat alhaiset. Uusiutuvalla dieselillä kaikki säännellyt kaasumaiset paikallispäästöt olivat hieman pienempiä kuin dieselöljyllä. Uusiutuvalla dieselillä hiukkaslukumäärä laski jopa 26 % perinteiseen fossiiliseen dieseliin verrattuna.

Biometaani ja uusiutuva diesel osoittautuivat tehokkaiksi keinoiksi vähentää liikenteen kasvihuonekaasupäästöjä lyhyellä ja keskipitkällä aikavälillä vaikeasti sähköistettävässä liikenteessä. Biometaanin ja uusiutuvan dieselin ensisijainen huolenaihe on niiden rajallinen saatavuus. Kestävästi tuotettujen polttoaineiden tarjonnan lisäämiseksi ja välttämättömien investointien nopeuttamiseksi tarvitaan päättäväistä pitkän aikavälin politiikkaa.