Estimation of Bełchatów Power Station emissions from TROPOMI nitrogen dioxide satellite observations

Abstract

The Bełchatów coal power station is the highest producer of nitrogen oxides, carbon dioxide, and sulphur dioxide emissions in Europe. The Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) aboard the Sentinel 5 satellite can observe tropospheric columns of nitrogen dioxide (NO2) which show high concentrations around the Bełchatów area. This thesis focuses on implementing approaches to estimate the NO2 emissions of the Bełchatów power station based on the TROPOMI observations and wind field information of the area when the TROPOMI data shows clear distinct NO2 plumes leaving the station. Optimization of a source term for a two-dimensional advection-dispersion-reaction system and fitting an one-dimensional reaction system to line integrals along the pollutant plume were considered for the problem. The latter is additionally capable of providing uncertainty quantification for the emission estimate. Results were considered to be in agreement when compared with reported information on the NO2 emissions of Bełchatów.

Bełchatówin voimalaitos on Euroopan suurin typpioksidi-, hiilidioksidi- ja rikkidioksidipäästöjen tuottaja. Sentinel-5 satelliitin The Tropospheric Monitoring Instrument -mittalaite (TROPOMI) pystyy havaitsemaan alailmakehän typpidioksidin pystymittaisia pitoisuuksia, jotka ovat huomattavan korkeita Bełchatówin alueella. Tässä diplomityössä toteutettiin menetelmiä Bełchatówin voimalaitoksen päästöjen suuruuden määrittämiseksi hyödyntäen alueen TROPOMI-satelliittihavaintoja ja tuulikenttädataa, kun TROPOMI-havainnoissa on selkeästi nähtävissä voimalaitoksen tuottama typpidioksidivana. Päästöjen suuruutta määritettiin optimoimalla kaksiulotteisen osittaisdifferentiaaliyhtälön lähdetermiä sekä sovittamalla yksiulotteista reaktiodifferentiaaliyhtälöryhmää typpidioksidivanan poikki laskettuihin viivaintegraaleihin. Jälkimmäinen menetelmistä mahdollisti myös lisäksi päästösuuruuden epävarmuuden mallintamisen. Saadut tulokset sopivat Bełchatówin itseraportoituihin vuosittaisiin typpidioksidipäästölukemiin.