Сравнение выбросов загрязняющих веществ от автомобилей и различных энергетических установок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

10 лет

журналу

Сравнение выбросов загрязняющих веществ от автомобилей и различных энергетических установок

53

I

A.А. Капустин, профессор Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, д.т.н.,

B.А. Раков, доцент Вологодского государственного технического университета, к.т.н.

В данной статье представлены результаты исследований авторов по сопоставлению объемов выбросов загрязняющих веществ автомобилями с бензиновыми, дизельными, газовыми и гибридными двигателями на этапах их производства, эксплуатации и рециклинга.

__Ключевые слова:

экологическое воздействие, автомобили, расход топлива, выбросы загрязняющих веществ, энергетическая установка.

«Автомобиль - экипажъ, который движется при помощи электричества, бензина, пара и т.п., и потому кажется, какъ бы движущимся самъ по себе».

Энц. словарь Ф. Павленкова (С.-Петербург, 1905)

самом начале своего появления на дорогах автомобили за их особенность выбрасывать в воздух странно пахнущее облако стали называться «вонючками».

Развитие автомобилизма изначально было связано со снижением расхода энергии на движение, уменьшением вреда окружающей природной среде и безопасностью поездок. Для этого законодатели устанавливали (и будут устанавливать) все более строгие экологические нормативы, а конструкторы их выполняли, совершенствуя тем самым эксплуатационные свойства автомобилей.

Рисунок из архива журнала Motor, 1901 год. Так видели борьбу с выбросами от автомобилей в будущем

Транспорт и экология

КШШШ

\

54

Например, постепенные ограничения выбросов отработавших газов двигателями внутреннего сгорания (ДВС) привели к существенному снижению содержания таких веществ, как оксид углерода (СО), оксиды азота (N0^), углеводороды (СН). Это несколько снизило напряженность в обществе по отношению к бензиновым и дизельным автомобилям. Однако новые нормативы, которые вступят в России к 2020 году и уже действуют в Евросоюзе, должны обеспечить снижение выбросов углекислого газа (СО2) до 95 г/км (при действующей норме в 130 г/км).

Чтобы выполнить эти требования, недостаточно системы нейтрализации отработавших газов, необходимо уменьшить расход топлива ДВС. Для решения этой задачи инженеры пошли на снижение рабочего объема двигателя с повышением его КПД за счет увеличения степени сжатия, применения турбо-наддува и непосредственного впрыска топлива, а также применения гибридных энергетических установок (ЭУ) с более рациональным расходом топлива и меньшим выбросом загрязняющих веществ.

Для вновь выпускаемых сегодня автомобилей в отношении их выбросов разработаны Правила № 83 ЕЭК ООН. Следует заметить, что указанные Правила не учитывают выбросы вредных веществ в двух этапах жизненного цикла автомобиля: при производстве и реци-клинге (утилизация).

Автомобиль, как основной источник выбросов парниковых газов, создал экологические проблемы для окружающей среды во многих странах мира, о чем также свидетельствуют материалы 21 Всемирного климатического саммита в Париже (2015 г.). Желание уменьшить загрязнение воздуха в крупных городах связано с проявляющимися процессами изменения климата на планете. Очевидной стала необходимость снижения расхода углеводородного

топлива автомобилями, мировой парк которых уже сейчас составляет более 1 млрд единиц, а к середине 21 века, по прогнозам экспертов, может удвоиться.

Основными направлениями решения поставленных задач являются совершенствование конструкции ДВС, развитие производства гибридных и электрических установок. При этом основной уклон делается в сторону именно снижения вредных выбросов с отработавшими газами, а экологические преимущества, ради которых усложняются конструкции более экологичных автомобилей и соответственно растет их цена, на этапе их производства не затрагиваются.

В исследовании авторами выполнено сравнение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду автомобилями с различными типами энергетических установок. В оценке использованы легковые автомобили с бензиновым, дизельным, газовым ДВС и гибридной ЭУ (ДВС + электромотор).

В качестве основных загрязняющих веществ, оказывающих негативное воздействие от указанных автомобилей на окружающую среду, рассматривались выбросы оксида углерода (СО), оксидов азота (NOx) и углекислого газа (CO2). Тепловое воздействие и вред от отработанных технических жидкостей не оценивались.

Исходными данными для оценки воздействия на этапе производства принята масса автомобилей и их компонентов, а за период эксплуатации - расход топлива и нормативные значения загрязняющих веществ в отработавших газах. Для сравнительного анализа были выбраны популярные в России легковые автомобили с различными типами энергетических установок: Hyundai Solaris 1.6 (бензиновый ДВС); Peugeot 408 (дизельный ДВС); Лада Ларгус 1.6 (газовый ДВС); Toyota Prius с гибридной ЭУ (ДВС + электромотор).

Этап производства

10 лет

журналу

Этот этап в жизненном цикле автомобиля связан с добычей и переработкой материалов. На данном этапе сырье (металл, пластик, стекло, резина и др. материалы) используется для изготовления комплектующих, что неизбежно оказывает воздействие на окружающую среду. Размер этих выбросов будет зависеть от применяемых материалов и их массы. Данные по массе выбранных автомобилей приведены в табл. 1.

Энергозатраты на производство одного автомобиля с ДВС составляют 8,06 ГДж [1], а удельные выбросы

вредных веществ туд в пересчете на 1 кг его массы та [2] следующие:

• оксид углерода (СО) - 0,0122 кг;

• оксиды азота (N0^) - 0,00750 кг;

• углекислый газ (СО2) - 3,172 кг.

Масса загрязняющих веществ будет

рассчитываться по формуле

мзв = т тУД , где та - масса автомобиля; тщ - масса удельных выбросов вредных веществ.

Результаты проведенной оценки негативного воздействия на окружающую среду при производстве для каждого из указанных выше автомобилей представлены в табл. 2.

Таблица 1

55

Выбросы загрязняющих веществ на этапе производства автомобилей

Тип ЭУ / Масса автомобиля, т Масса выбросов вредных веществ, т

модель автомобиля СО NO, CO2

Бензиновый / Hyundai Solaris 1.6 1,13 0,014 0,0085 3,584

Дизельный / Peugeot 408 1,39 0,017 0,01 4,241

Газовый / Лада Ларгус 1,6, всего автомобиль 1,38 1,33

газобаллонное оборудование 0,05 0,017 0,01 4,377

Гибридный / Toyota Prius, всего автомобиль* 1,49 1,43 0,017 0,017 0,01 0,01 4,674 4,564

Ni-MH батарея 0,06 - - 0,09

* Без учета массы батареи.

Таблица 2

Характеристики автомобилей и расход топлива

Тип ЭУ / Расход топлива, л/100 км

модель автомобиля Заводская норма Норма Минтранса РФ с учетом поправочных коэффициентов [3] *

Бензиновый / Hyundai Solaris 1.6 6,5 10,55

Дизельный / Peugeot 408 7,4 10,0

Газовый / Лада Ларгус 1,6 7,5 13,7**

Гибридный / Toyota Prius 3,9 6,0

* Учитывается население города, работа кондиционера, частые запуски и прогревы двигателя, эксплуатация при низкой температуре окружающей среды согласно рекомендованным коэффициентам.

** Для автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе (СУГ), рекомендовано устанавливать норму из расчета 1 л бензина соответствует 1,32 л СУГ.

Транспорт и экология

КШШШ

\

56

Экологически более безопасные гибридные автомобили содержат электрохимический источник постоянного тока - высоковольтную батарею. Поэтому выбросы при производстве высоковольтной батареи гибридного автомобиля авторами рассмотрены отдельно. Как правило, в таких автомобилях батарея состоит из никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторов. На гибридном автомобиле Toyota Prius, участвующем в сравнительной оценке, масса высоковольтной Ni-MH батареи равна 53 кг. Согласно исследованиям, при производстве 1 кг Ni-MH аккумулятора выбрасываются загрязняющие вещества в объеме 1,69 кг эквивалента СО2 [2]. Данные значения также включены в расчеты и представлены в табл. 1, из которой хорошо видно, что наименьшие выбросы загрязняющих веществ достигаются при производстве автомобилей малого класса с бензиновыми двигателями. Это легко объясняется хорошо отработанной простой конструкцией, низкими ценами на материалы для изготовления и низкой энергоемкостью технологий сборки автомобиля. Составить таким автомобилям конкуренцию со стороны более сложных гибридных автомобилей в ближайшем будущем будет сложно.

Этап эксплуатации

Этот этап является основным в жизненном цикле автомобилей при рассмотрении количества и качества выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами, получаемых от энергетических установок. Наиболее значимые из них СО, СО2, NOx , объемы которых зависят, в первую очередь, от количества израсходованного топлива и его типа. Нормативные данные по расходу топлива получены из «Рекомендаций Министерства транспорта РФ» от 14.03.2008 г. (см. табл. 2).

В проведенном исследовании негативные воздействия на окружающую среду при замене вышедших из строя

деталей автомобилей и отработавших технологических жидкостей авторами не рассматриваются. Зарядка гибридных автомобилей от внешней электросети не предусмотрена.

По данным о среднем расходе топлива автомобилями авторы определили общий объем его потребления за условно принятый ресурсный пробег - 250 тыс. км, что позволило вычислить объемы загрязняющих веществ энергетическими установками и подсчитать их массу за период эксплуатации. Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Для расчета выбросов загрязняющих веществ автомобилями в предыдущих исследованиях [4-5] авторы использовали нормативные значения, указанные в «Техническом регламенте о безопасности колесных транспортных средств» № 720 от 10.09.2009 г. Однако последующие исследования показали, что ранее проведенная оценка оказалась ошибочной, так как при сгорании топлива часть образующегося соединения СО2 является массой не только сгоревшего топлива, а всей топливовоздуш-ной смеси. Для устранения неточностей расчетов в настоящей работе авторы использовали «Инструкцию (методика) по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух» от 17.11.2006 г. (табл. 3.1-3.3) [6]. Результаты расчета показаны в табл. 3.

Таким образом, количество выбросов всех загрязняющих веществ на этапе эксплуатации значительно превосходит выбросы, связанные с производством автомобилей.

Самая большая масса выбросов оксидов углерода, действующего на кровь человека, как и следовало ожидать, пришлась на автомобили с бензиновыми и газовыми двигателями (рис. 1). Значительно меньше СО выбрасывают гибридные автомобили и еще меньше - автомобили с дизельным двигателем. С выбросами СО в автомобиле успешно борется система

Таблица 3

Масса выбросов загрязняющих веществ автомобилями на этапе эксплуатации

Расход топлива Выбросы загрязняющих веществ

Тип ЭУ/ за период СО NO, CO2

модель автомобиля эксплуатации, кг/л* г/кг Всего, кг г/кг Всего, кг г/кг Всего, кг

Бензиновый / Hyundai Solaris 1.6 20 045 / 26 375 21,5 431 5,8 116 3120 62500

Дизельный / Peugeot 408 21 000 / 25 000 7,5 158 30 630 3100 65100

Газовый / Лада Ларгус 1,6 18 153 / 34 250 21,5 390 5,8 105 2970 53900

Гибридный / Toyota Prius 11 400 / 15 000 21,5 245 5,8 66 3120 35600

10 лет

журналу

57

* С учетом плотности топлива: АИ-95 - 0,76 кг/л; ДТ - 0,86 кг/л; СУГ - 0,53 кг/л. Цветом выделены максимальные (красный) и минимальные (зеленый) значения.

снижения токсичности, включающая катализатор и датчики кислорода, при условии, что все они работают исправно. Целесообразности дальнейшего снижения доли СО в отработавших газах специалисты-экологи не видят - уровень его содержания согласно нормам Евро-4,5,6 не менялся и составляет для легковых автомобилей 1,0 г/км.

Оксиды азота (N0^) образуются при сгорании бедных смесей и характерны, прежде всего, для дизельных двигателей. Попадая в атмосферу, они могут вызывать раздражение слизистых поверхностей организма человека. У автомобилей с бензиновыми, газовыми и гибридными ДВС эти выбросы находятся на достаточно низком уровне. У автомобилей же с дизельными ДВС они значительно превосходят все остальные. За период эксплуатации дизельный двигатель выбросит в атмосферу 630 кг N0^. Для сравнения: у бензинового их будет всего 116 кг (рис. 2).

Для снижения выбросов N0^ в дизельных двигателях применяется система рециркуляции отработавших газов и впрыск мочевины, в результате чего снижается температура камеры сгорания двигателя. Согласно экологическим

нормам Евро-6, содержание этих выбросов у легковых дизельных автомобилей должно быть снижено с 0,18 до 0,06 г/км, то есть в 3 раза.

Углекислый газ (СО2) в значительной степени влияет на глобальное потепление климата. При сгорании 1 кг углеводородного топлива происходит образование около 3 кг соединений СО2. Автомобиль с бензиновым ДВС и традиционной силовой установкой за период эксплуатации в 250 тыс. км выбросит 62,5 т СО2, с дизельным ДВС - 65 т (рис. 3).

При эксплуатации газового автомобиля на более легком СУГ выбросы СО2 снизятся до 54 т. Автомобиль с гибридной энергетической установкой за счет более низкого расхода топлива выбросит всего 35,6 т СО2, что меньше чем у бензинового на 43 %.

Этап рециклинга (утилизация) является обязательным в жизненном цикле автомобилей. Выбросы загрязняющих веществ вызваны переработкой комплектующих для повторного использования материалов и сжиганием отходов, идущих на утилизацию. Эти операции требуют затрат энергии для обезвреживания опасных компонентов, таких как резина и полимерные материалы.

/

58

Рис. 1. Выбросы оксида углерода (СО) автомобилями с ЭУ различных типов

Рис. 2. Выбросы оксидов азота (N0^) автомобилями с ЭУ различных типов

Рис. 3. Выбросы углекислого газа (СО2) автомобилями с ЭУ различных типов

При используемых технологиях удается восстановить до 75 % материалов от начальной массы автомобиля. Остальные не перерабатываемые материалы обезвреживаются и подлежат захоронению. По данным производителей перерабатывающего оборудования, в среднем на рециклинг одной тонны автомобиля расходуется около 50 кВт-ч электроэнергии. При почти одинаковой массе сравниваемых автомобилей в проведенной оценке этот показатель не учитывался ввиду несущественности.

Особо необходимо отметить, что рециклинг №-МН аккумуляторных батарей гибридных автомобилей проходит по технологии без выбросов токсичных вредных веществ. При этом получаемые в процессе переработки никель и кобальт используются повторно [7].

Суммарные объемы выбросов на этапах производства и эксплуатации сравниваемых автомобилей представлены в табл. 4.

Анализ результатов проведенного исследования, как и ожидалось, показал, что основная доля выбросов всех загрязняющих веществ приходится на период эксплуатации. Однако следует обратить внимание на выбросы

парникового газа СО2, которые на этапе производства составляют около 5...10 % от выбросов на всем жизненном цикле автомобиля.

Исходя из полученных в исследовании результатов, можно сделать следующие выводы:

• частое обновление автомобилей со значительным снижением их среднего срока службы ускорит загрязнение окружающей среды;

• более безвредными для человека и окружающей среды на всех этапах жизненного цикла являются автомобили с гибридными двигателями даже несмотря на то, что при их производстве требуется больше затрат энергии и сырья;

• при оценке влияния негативного воздействия автомобилей с различными энергетическими установками на окружающую среду и, в первую очередь, на потепление климата основное внимание необходимо уделять выбросам вредных веществ на этапе эксплуатации автомобиля;

• выбросы токсичных компонентов СО и N0^, причиняющие вред здоровью человека, также можно значительно снизить при использовании автомобилей с гибридным двигателем.

10 лет

журналу

59

Таблица 4

Выбросы загрязняющих веществ автомобилем на этапе производства и эксплуатации

Тип ЭУ / модель автомобиля Выбросы загрязняющих веществ, кг

СО NO, CO2

Бензиновый / Hyundai Solaris 1.6 445 125 66 084

Дизельный / Peugeot 408 175 640 69 341

Газовый / Лада Ларгус 1,6 407 115 58 277

Гибрид / Toyota Prius 262 76 40 264

Цветом выделены максимальные (красный) и минимальные (зеленый) значения.

Транспорт и экология

K\\\\\\\\\\\\m\\\\v

Будущее

Все популярнее становятся автомобили с электромеханическими гибридными энергетическими установками. Инженеры постоянно совершенствуют их. Интересные разработки имеет компания Toyota, выпускающая самый популярный в мире гибридный автомобиль Prius. Продолжаются работы с водородной энергетической установкой для гибрида Mirai, что по-японски означает «будущее». Электрическую энергию в нем вырабатывают топливные элементы, где водород окисляется кислородом в специальных топливных элементах, выбросами которых является вода - H2O. Пока общественность воспринимает эти автомобили, как «зелёные». Хотя исследования воздействия инфраструктуры производства

водорода и качества сбрасываемой воды, прошедшей физическую и химическую обработку в водородном генераторе, на организм человека не проводились.

Mirai при 5 кг водорода в баллонах имеет запас хода 500...550 км. На полную заправку водородом требуется до 5 мин времени. Для сравнения: электромобиль от электрической сети заряжается до 12 часов. Автомобиль при максимальной мощности энергетической установки в 113 кВт и крутящем моменте 335 Н-м разгоняется водителем до 100 км/ч за 9,6 с.

Попытки создания автомобилей с гибридной электромеханической силовой установкой за последние несколько лет значительно активизировались, что позволяет считать их перспективными экологичными автомобилями ближайшего будущего.

_ Литература

1. Котиков Ю.Г. Транспортная энергетика (2006). - Эл. ресурс: http://www. studfiles.ru/preview/4385265/page:20/

2. Pistoia G. Electric and hybrid vehicles. Power sources, models, sustainability, infrastructure and the market. / G Pistoia. - Oxford: The Netherlands Linacre House, 2010.

3. Распоряжение Минтранса РФ от 14 марта 2008 г. № АМ-23-р «О введении в действие методических рекомендаций «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» c изменениями от 14.05.2014 г. № НА-50-р.

4. Капустин А.А. Методика оценки влияния типа двигателя гибридных автомобилей на их экономичность и экологическую безопасность / А.А. Капустин, В.А. Раков // Организация безопасности движения в крупных городах: сборник трудов участников двенадцатой междунар. науч.-практ. конф. - СПбГАСУ - СПб., 2016. - С. 639-645.

5. Kapustin A. Methodology to Evaluate the Impact of Hybrid Cars Engine Type on their Economic Efficiency and Environmental Safety / A. Kapustin, V. Rakov // Transportation Research Procedia: 12th International Conference «Organization and Traffic Safety Management in large cities», SPbOTSIC-2016, 28-30 September 2016, St. Petersburg, Russia. - 20 (2017). -Pp. 247-253.

6. Расчетная инструкция (методика) по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух: утв. ОАО «НИИАТ» 17.11.2006 / Министерство транспорта РФ. - Москва, 2006. - 55 с.

7. Капустин А.А. Гибридные автомобили: учебное пособие / А.А. Капустин, В.А. Раков; М-во образ. и науки РФ, Вологод. гос. ун-т. - Вологда: ВоГУ, 2016. - 116 с.