Het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie werkt momenteel aan een innovatief optisch systeem dat zal toelaten om concentraties van de vervuilende stoffen zwavel en stikstof en ook CO2 te bepalen in scheepspluimen in een straal van ongeveer 5km rond het meetinstrument. SEMPAS-sensoren (afkorting voor “Ship Emission Monitoring by Passive Absorption Spectroscopy”) zullen in het windmolenpark in het zuidelijke deel van de Belgische Noordzee dicht bij de voornaamste scheepsroutes worden geplaatst en moet toelaten om te controleren of schepen de vastgestelde grenswaarden voor het zwavelgehalte in de scheepsbrandstof naleven. Voor de uitstoot van stikstof zullen deze metingen gebruikt worden om de internationale regelgeving vorm te geven zodat ook hiertegen kan opgetreden worden. Dit is van essentieel belang in de strijd tegen luchtvervuiling en klimaatverandering.
Emissies van schepen aan de Noordzee
Door de verbranding van fossiele brandstoffen is scheepvaart verantwoordelijk voor ongeveer 2,5% van de wereldwijde uitstoot van vervuilende stoffen, met aanzienlijke milieuschade tot gevolg. Scheepsemissies hebben niet alleen een impact op het klimaat, maar ook op de luchtkwaliteit en bijgevolg de volksgezondheid in kustgebieden.
Ook in het Belgisch deel van de Noordzee passeren jaarlijks zo’n 200.000 schepen die naast CO2, ook een aantal vervuilende stoffen zoals zwavel, stikstof, fijnstof en roetdeeltjes uitstoten in de mariene omgeving en de vaak dichtbevolkte kustzones. Deze stoffen kunnen aanleiding geven tot ademhalingsproblemen, oogirritaties, longproblemen en zelfs vroegtijdig overlijden.
Om de luchtvervuiling door schepen te beperken, heeft de Internationale Maritieme Organisatie (IMO) in bijlage VI van het internationale MARPOL-verdrag, die een geleidelijke vermindering van de emissies van zwavel, fijn stof en stikstof door schepen voorziet, ook lage emissiezones (ECA's) gedefinieerd, waar nog strengere limieten voor luchtverontreinigende stoffen van toepassing zijn. Deze ECA’s bestaan er zowel voor zwavelemissies - men spreekt van SECA’s (Sulphur Emission Control Area) - als voor stikstofemissies (Nitrogen Emission Control Area). Binnen het gebied van de Noordzee en het Kanaal bestaan strenge normen voor het zwavelgehalte in de scheepsbrandstof. Deze worden ook op internationaal niveau uitgewerkt voor de uitstoot van stikstof door scheepsmotoren.
Belgisch programma voor luchtobservaties boven de Noordzee
Hoewel de voornaamste scheepsroutes duidelijk zichtbaar zijn in de wereldwijde stikstofmetingen door satellieten, is de ruimtelijke resolutie niet voldoende om de stikstofemissies van individuele schepen in de Noordzee te onderscheiden. Bovendien kan de zwaveldioxide-uitstoot van zeeschepen niet gedetecteerd worden vanuit de ruimte.
Sinds 2015 (voor zwavel) en 2021 (voor stikstof) wordt de naleving van deze richtlijnen gemonitord met een sniffersensor aan boord van een Belgisch kustwachtvliegtuig, onder leiding van het SURV-team van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen (KBIN). Met dit vliegtuig wordt door de uitstootpluim van schepen op zee gevlogen om ter plaatse metingen uit te voeren. De sensor laat toe om uit die metingen het zwavelgehalte in de brandstof af te leiden en het gehalte aan stikstofoxiden in de emissies te meten. Het is een belangrijk instrument in de strijd tegen luchtverontreiniging.
Nu heeft het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) al meer dan 20 jaar ervaring met remote sensing van de atmosfeer, zowel in het UV-visueel als infrarood spectrum en het draagt al decennialang bij aan internationale meetnetwerken en -infrastructuren zoals NDACC en meer recent, ACTRIS. Al snel groeide dus het idee om een systeem te ontwikkelen dat complementair is aan de luchtmetingen door gebruik te maken van remote sensing om de zwavel, stikstof en CO2 te detecteren die in de scheepspluimen uitgestoten wordt. Deze metingen kunnen de luchtmetingen bijstaan om specifieke schepen die de limieten lijken te overschrijden vanuit de lucht te controleren.
Het SEMPAS-instrument
Het BIRA werkt momenteel in opdracht van minister van Noordzee Vincent Van Quickenborne aan een innovatief systeem om de emissies van schepen te meten. Het SEMPAS-instrument is gebaseerd op een teledetectietechniek door het analyseren van zonnestraling en thermische straling die door een scheepspluim is gegaan. Op basis van de absorptie van lichtstralen op specifieke golflengten door de verontreinigende stoffen in de pluim, kunnen hun concentraties bepaald worden in een straal van 5km rond het instrument.
SEMPAS bestaat uit een combinatie van twee spectrometers. Eén kanaal is geoptimaliseerd voor het meten van zwavel en stikstof in het UV-visueel gebied van het zonlicht, het andere kanaal meet een spectrum in het thermisch infrarood voor de detectie van zwavel en CO2. Beide telescopen zullen voor de metingen door een gemeenschappelijk systeem aangedreven worden.
De telescopen zullen gemonteerd worden op een compacte zonnevolger van de nieuwste generatie, ontwikkeld door het BIRA, voor het actief volgen van de schepen. Een germanium ingangsvenster moet de telescoop van het infrarood kanaal beschermen tegen de opspattende zee, vocht en zout.
Testcampagnes bereiden het instrument voor op de definitieve ingebruikname
Momenteel is de testfase volop aan de gang. Testmetingen van statische industriële schoorstenen in de haven van Antwerpen in de periode januari tot mei 2023 lieten BIRA toe het instrument te leren kennen, de meetparameters te optimaliseren en de telescoop uit te lijnen. De spectrale kenmerken van zwavel en stikstof waren duidelijk aanwezig in de metingen. Eerste testen zijn ook ondernomen om met de infraroodcomponent van SEMPAS de emissies van voorbijvarende schepen in de buurt van Cadzand te meten.De campagnes leverden een grote hoeveelheid metingen op die nu gebruikt kunnen worden voor de optimalisatie van de algoritmes, die nodig zijn om uit de ruwe gegevens de concentratieprofielen van de vervuilende stoffen te bepalen. Het SEMPAS-team op het BIRA werkt eveneens aan de algoritmes die moeten toelaten om de schepen te volgen.
Het design van het instrument wordt intussen volop geoptimaliseerd zodat ook de omkapping van het geheel gebouwd kan worden op een manier die bestand is tegens de natuurelementen op zee.
Installatie begin 2024
Vandaag bracht minister Van Quickenborne een bezoek aan het BIRA waar de voorbereidingen voor het SEMPAS-instrument volop aan de gang zijn.
Begin 2024 zou het geïnstalleerd moeten worden in een windmolenpark om vanaf dan op permanente basis nabijgelegen scheepvaartroutes in de Belgische Noordzee te monitoren.
Het instrument zal de uitstoot van ongeveer 30 vrachtschepen per dag kunnen volgen. De waarnemingen zullen worden ingevoerd in een internationale database genaamd Thetis-EU en zullen een aanvulling vormen op de surveillancevluchten die worden uitgevoerd door het sniffervliegtuig van KBIN.
Vincent Van Quickenborne, minister van Noordzee:
Binnen de IMO werd recent een nieuw klimaatakkoord gesloten om de scheepvaartsector naar netto nuluitstoot van broeikasgassen te laten gaan tegen 2050. Met het sniffervliegtuig controleert ons land vandaag al of heel wat van de 200.000 schepen die jaarlijks onze wateren passeren niet te veel zwavel of stikstof uitstoten. Ze vliegen hiervoor door de uitstootpluim van schepen. We zijn daarmee uniek in de wereld, maar kunnen verre van alle schepen hiermee controleren. Daarom willen we blijven innoveren en nieuwe technieken uitwerken. Met deze sensor zullen we binnenkort 24 op 7 controles kunnen doen op schepen die naar onze havens varen. In het voorjaar van 2024 willen we een eerste testproject plaatsen op het windmolenpark Mermaid. Ons land toont hier opnieuw dat we innovatieve bedrijven en excellente wetenschappers in huis hebben, die een voortrekkersrol opnemen in de strijd tegen de klimaatverandering.
BIRA ontwikkelt het SEMPAS-instrument in nauwe samenwerking met DG Scheepvaart en het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen, met financiering van het milieucompensatiefonds van DG Leefmilieu en de Nationale Loterij.
