The impact of biofuels for road traffic on air quality : a modelling approach

Abstract

The selection of the energy source to power the transport sector is one of the main current concerns, not only relative with the energy paradigm but also due to the strong influence of road traffic in urban areas, which highly affects human exposure to air pollutants and human health and quality of life. Due to current important technical limitations of advanced energy sources for transportation purposes, biofuels are seen as an alternative way to power the world’s motor vehicles in a near-future, helping to reduce GHG emissions while at the same time stimulating rural development. Motivated by European strategies, Portugal, has been betting on biofuels to meet the Directive 2009/28/CE goals for road transports using biofuels, especially biodiesel, even though, there is unawareness regarding its impacts on air quality. In this sense, this work intends to clarify this issue by trying to answer the following question: can biodiesel use contribute to a better air quality over Portugal, particularly over urban areas? The first step of this work consisted on the characterization of the national biodiesel supply chain, which allows verifying that the biodiesel chain has problems of sustainability as it depends on raw materials importation, therefore not contributing to reduce the external energy dependence. Next, atmospheric pollutant emissions and air quality impacts associated to the biodiesel use on road transports were assessed, over Portugal and in particular over the Porto urban area, making use of the WRF-EURAD mesoscale numerical modelling system. For that, two emission scenarios were defined: a reference situation without biodiesel use and a scenario reflecting the use of a B20 fuel. Through the comparison of both scenarios, it was verified that the use of B20 fuels helps in controlling air pollution, promoting reductions on PM10, PM2.5, CO and total NMVOC concentrations. It was also verified that NO2 concentrations decrease over the mainland Portugal, but increase in the Porto urban area, as well as formaldehyde, acetaldehyde and acrolein emissions in the both case studies. However, the use of pure diesel is more injurious for human health due to its dominant VOC which have higher chronic hazard quotients and hazard indices when compared to B20.

A escolha de fontes energéticas para o sector dos transportes é uma das preocupações da sociedade moderna devido a questões relacionadas com o paradigma energético, e ao facto de este ser uma das principais fontes de polução do ar nas cidades, afectando significativamente a saúde humana e a sua qualidade de vida. Devido às limitações técnicas com que as formas de mobilidade avançadas ainda se deparam, os biocombustíveis são considerados uma alternativa viável para as próximas décadas, contribuindo para a redução de gases com efeito de estufa e estimulando o desenvolvimento rural. Portugal, motivado pelas políticas Europeias, tem aposto nos biocombustíveis, em especial no biodiesel, a fim de atingir a meta da Directiva 2009/28/CE. No entanto, não são conhecidos os impactos na qualidade do ar decorrentes da utilização de biodiesel. Assim, este trabalho pretende clarificar esta situação respondendo à seguinte questão: a utilização de biodiesel promove uma melhoria na qualidade do ar em Portugal, particularmente nas áreas urbanas? A primeira tarefa deste trabalho consistiu na caracterização da cadeia de biocombustíveis em Portugal, verificando-se que a cadeia tem problemas de sustentabilidade, uma vez que toda a matéria-prima usada é importada, não estando a promover a redução da dependência energética externa. Posteriormente foram avaliados os impactos associados à utilização de biodiesel nas emissões de poluentes atmosféricos e na qualidade do ar em Portugal e em particular na área urbana do Porto, através da utilização do sistema de modelação numérica à mesoscala WRF-EURAD e tendo por base 2 cenários de emissões: o cenário de referência que considera que não é usado biodiesel e o cenário B20 que reflecte a utilização de um combustível constituído por 80% de gasóleo fóssil e 20% de biodiesel. Com este trabalho, verificou-se que o uso de B20 pode ajudar a controlar os níveis de poluição atmosférica tanto em Portugal como na área urbana do Porto, promovendo a redução das emissões de PM10, PM2.5, CO e COVNM e respectivas concentrações no ambiente atmosférico. Por outro lado, são esperados aumentos nas emissões de formaldeído, acetaldeído e acroleína com o uso de B20 e aumentos nas concentrações de NO2 na área urbana do Porto. Apesar destes compostos serem considerados tóxicos e cancerígenos, os COVNM dominantes no gasóleo de origem fóssil, presentes em quantidades reduzidas no biodiesel, têm coeficientes de perigo crónico mais elevados. Assim, a utilização de B20 nos transportes rodoviários apresenta maiores benefícios para a saúde humana e para a qualidade do ar quando comparado com a utilização de gasóleo convencional.