CC BY
93
УДК 669.85/86+502.7
ВЛИЯНИЕ АВТОТРАНСПОРТА И ЭНЕРГЕТИКИ НА ПОТЕПЛЕНИЕ
КЛИМАТА
П.М. Канило, профессор, д.т.н, Н.В. Внукова, доцент, к.г.н., К.В. Костенко, научн. сотр., ХНАДУ
Аннотация. Проанализированы многочисленные публикации по так называемому «глобальному потеплению» климата на планете Земля. Обосновывается необходимость изменения вектора влияния и возможностей человечества в решении трех глобальных проблем: «озеленения» планеты, экономизации и экологизации хозяйственной деятельности.
Ключевые слова: потепление климата, окружающая среда, экология, автотранспорт, энергетика.
ВПЛИВ АВТОТРАНСПОРТУ ТА ЕНЕРГЕТИКИ НА ПОТЕПЛ1ННЯ КЛ1МАТУ
П.М. Каншо, професор, д.т.н, Н.В. Внукова, доцент, к.г.н., К.В. Костенко, науков. сшвр., ХНАДУ
Анотаця. Проанал1зовано численш публтаци щодо так званого «глобального потеплтня» кл1мату на планет1 Земля. Обгрунтовуеться необх1дтсть змти вектора та можливостей людства у виршенн трьох глобальних проблем: «озеленення» планети, економ^зацп i еколог1-зацп господарськог дiяльностi.
Ключовi слова: потеплтня miмату, навколишне середовище, екологiя, автотранспорт, енер-гетика.
INFLUENCE OF MOTOR TRANSPORT AND POWER ENGINEERING ON
GLOBAL WARMING
P. Kanilo, Professor, Doctor of Technical Sciences, N. Vnukova, Associate Professor, Candidate of Geographical Science, K. Kostenko, research worker, KhNAHU
Abstract. Numerous publications on the so-called «global warming» are analyzed. The necessity of influence vector changing and human potentialities at solving three global problems: planting of greenery, economizing and ecology of economic activity is proved.
Key words: climate change, environment, ecology, automobile transport, energy.
Введение
В 1988 году Всемирная метеорологическая организация, в соответствии с программой ООН по окружающей среде, создала Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК) планеты, которая периодически публикует доклады о будущих изменениях «глобального» климата
и возможном влиянии этих изменений на различные виды хозяйственной деятельности. По данным МГЭИК, «глобальное потепление» климата, начавшееся с середины 70-х годов XX века, не вызывает сомнений [1, 2]: повышение среднегодовой температуры приземного слоя атмосферы и океана, сокращение площади морского льда.
Многие ученые считают, что процесс потепления климата вызван увеличением выбросов в атмосферу ПГ, в первую очередь диоксида углерода (СО2), с продуктами сжигания ископаемых топлив и его накоплением в атмосфере. Ряд авторитетных экологов и климатологов полагают, что климат на Земле меняется циклически, а цивилизация лишь ускоряет ход естественных процессов.
Анализ публикаций
Существуют три фундаментальные причины, почему может меняться радиационный баланс земного шара, вызывая тем самым изменение климата [1 - 5]: изменения орбитальных параметров Земли или уровней поступающего на верхнюю границу атмосферы потока солнечной радиации; изменение доли солнечной радиации, которая отражается в мировое пространство (эта доля может меняться в результате изменений облачности, концентраций атмосферного аэрозоля или отражательных свойств подстилающей поверхности); изменение потока длинноволновой радиации, уходящего в мировое пространство, в результате изменения концентрации ПГ в атмосфере.
Другой вопрос, который иногда поднимается, касается роли тепловой энергии в изменении климата, которая выбрасывается в атмосферу крупными городами, энергетическими и промышленными комплексами, транспортом и т.д. Однако вырабатываемое в настоящее время количество энергии в мире по отношению к энергии солнечной радиации, поглощаемой Землей, составляет лишь сотые - тысячные доли процента, поэтому даже десятикратное увеличение производства энергии существенно не повлияет на глобальное изменение климата планеты [4]. Оно может, в определенной степени, сказаться лишь на региональном уровне (в зонах городов-мегаполисов, районах расположения ТЭС, ТЭЦ, АЭС с их прудами - охладителями). На основе этого можно сделать предельно важный вывод: предполагаемое в ближайшем будущем существенное увеличение производства и использования энергии человечеством не является ограничивающим с точки зрения потепления климата.
В декабре 2009 года в столице Дании Копенгагене проходила 15-я климатическая конференция ООН (саммит руководителей 193 го-
сударств мира - участников конвенции ООН), посвященная проблемам "глобального изменения" климата на нашей планете. Результат копенгагенской конференции оценивается многими как «весьма» скромный и даже «провальный». Президент России Дмитрий Медведев оценил итоги конференции «достаточно скромными» из-за отсутствия конкретных решений и отметил, что необходимо совершенствовать работу по улучшению экологической ситуации на планете и предотвращать неблагоприятное влияние на климат. Саммит, как указывает швейцарское издание Le Temps и ряд других, стал встречей не ученых, а политиков. Борьба с потеплением в ближайшие годы может вызвать настоящий денежный дождь, уже существует «виртуальный рынок» по свободным единицам сокращения выбросов (ЕСВ) СО2, стоимость которых составляет 12 - 15 евро/т. В решениях 15-й климатической конференции слились политические и экономические интересы многих крупных держав и траснациональных корпораций, а вовсе - не анализ путей разрешения глобальных эколого-климатических проблем человечества.
Цель и постановка задачи
Целью работы является анализ последствий накопления углекислого газа (СО2) в атмосфере в контексте изменения климата.
Решение проблемы потепления климата
Климатическая система Земли является весьма сложной и включает пять важнейших составляющих: атмосферу, гидросферу, криосферу, поверхность суши, биосферу и ее функционирование в значительной степени определяется условиями взаимодействия между ними. Динамическое равновесие СО2 в атмосфере определяется механизмами его переноса между атмосферой - гидросферой (мировым океаном) - биосферой (рис. 1).
Рис. 1. Механизм переноса СО2 из одного «резервуара» в соседний (доли: Л,1 - А,4), А,5 - доля, вносимая с продуктами переработки и сжигания топлив
Климатическая система дополнительно изменяется во времени в результате внешних воздействий, обусловленных хозяйственной деятельностью человека, таких как: изменение состава атмосферы, гидросферы, литосферы, в том числе, вследствие загрязнения окружающей среды (ОС) выбросами энергетики, транспорта, промышленности, бытовыми отходами; изменение в землепользовании, вырубка и старение лесов; и вообще -снижение объемов и продуктивности фото-синтезирующей растительности и микроорганизмов как на поверхности суши, так и в водах мирового океана (уменьшение Х2 и Л,4). Растительный мир особо чувствителен к очень малым концентрациям вредных веществ в атмосфере (оксидов азота и серы, озона, канцерогенно-мутагенных веществ и др.), при этом нарушается их жизнедеятельность, снижается («подавляется») фотосинте-зирующая активность и продуктивность растений. Физико-химическое, биологическое и тепловое загрязнение внутренних водоемов, морей и океанов нарушает газообмен воды с атмосферой, что приводит к снижению растворимости СО2 в водах мирового океана (уменьшение уровня А,4), к исчезновению многих видов животных и растений, т.е. идет деградация водных объектов. Поэтому в современных условиях под воздействием человеческой деятельности способность природных систем к самоочищению атмосферы серьезно нарушена, атмосферный воздух в полной мере не выполняет свои защитные жизнеобеспечивающие экологические функции [1 - 5]. Загрязнения воздушного бассейна планеты приняли трансграничные межгосударственные масштабы. Поэтому современная проблема долгосрочного изменения климата будет зависеть от концентрации СО2 в атмосфере, находящейся в динамическом взаимодействии с биосферой и гидросферой, а также - с уровнями антропогенных выбросов СО2 в атмосферу, в том числе, с продуктами сжигания топлив.
В период с 1970 г. по 2008 г. нарушен глобальный газообмен СО2 между: атмосферой - биосферой (существенное снижение объемов и продуктивности фотосинтеза) и атмосферой - гидросферой (снижение растворимости СО2 в водах мирового океана) при одновременном увеличении уровней выбросов СО2 с продуктами переработки и сжигания ископаемых топлив. При этом наблюдается следующая закономерность:
2008 I
¿=1971
2008
I [(^1 2) + (^3 4)] > I 5(1970)] •
¿=1971
В табл. 1, с целью оценки взаимосвязи между уровнями выбросов СО2 с продуктами переработки и сгорания топлив и его суммарным накоплением в атмосфере, приведены результаты по мировым уровням потребления топлив [6] и расчетным уровням выбросов СО2 в атмосферу с продуктами их сгорания, в том числе, с отработавшими газами (ОГ) автомобилей. При этом уровни массовых выбросов СО2 в атмосферу при сгорании ¿-х топлив определялись по следующей формуле
ео20) = (мсо2 / Мс)Мт(■)§с(¿) =
м
= 3,67МТ (¿) &С (,■)
(1)
где МТ ■) - усредненное массовое потребление 1-го углеводородного топлива, млн т/год; §с (■)- массовая доля углерода в ¿-м топливе
(для углей ~ 0,6; для природного газа ~ 0,75; для нефти ~ 0,84); мс и Мс02 - соответственно молекулярные массы углерода и СО2.
Таблица 1 Уровни потребления топлив и выбросов СО? в атмосферу
Потребление По годам
Выбросы СО2 1970 1980 1990 2000 2008
Всего топлив, млн т у.т./год 7155 9286 10920 12491 14555
Всего выбросов СО2, млн т/год 16041 20535 24091 27356 31770
Моторных топлив, млн т/год 900 1200 1500 1800 2000
Выбросы СО2 с ОГ, млн т/год 2780 3700 4620 5550 6170
На рис. 2 приведены данные по дополнительному суммарному накоплению СО2 в атмосфере в период с 1971 г. по 2009 г. (в сравнении с 1970 г.); суммарному превышению массовых уровней выбросов СО2 с продуктами сжигания топлив (ЕАМСО2(сжт)), в том числе, с ОГ автомобилей (табл. 1), а также - суммарному превышению уровней выбросов СО2 при дыхании увеличивающейся численности населения планеты.
Дополнительное накопление СО2 в атмосфере определялось по зависимости
2008 _ I М
¿=1971
С02(атм.)
2008
= М(атм.) I [СС02(г') - СС02(1970)], ¿=1971
(2)
где М(АТМ) - среднее значение массы атмосферы, т; СС02(г)- средние массовые концентрации по годам, млн-1(масс.).
£ЛМсо2 ■10-9, т
600 400 200
ЕДМсо2 (атм.)
/ЕМ Г ЕАМсО2(сж.т.) ^СО2(авт.)' ^^
МСО2(дых ) щ--- \ 1 ------ > || -Ле-
0
1970
1980
1990
2000 Годы
Рис. 2. Уровни повышения выбросов и массового содержания СО2 в атмосфере
Суммарный рост уровней выбросов СО2 с продуктами сгорания топлив за анализируемый период определялся по зависимости
2008
I ДМ
¿=1971 2008
С02(сж.т.)
(3)
= I [МС0,о - М
[С02(1970)],
где МС02(г) - массовый годовой уровень выбросов СО2 с продуктами сгорания топлив, в том числе, с ОГ автотранспортных средств.
Суммарное превышение уровней выбросов СО2 при дыхании увеличивающегося населения на планете Земля (по сравнению с 1970 г.) определялось следующим образом. Человек в среднем выделяет при дыхании ~ 0,36 т СО2 в год [4, 5]. Человечество (Ы) выделяло в атмосферу в базовом 1970 г. (~ 3,5-109-0,36=1,19-109 т СО2/год), а в 2008 г. (~ 6,5-109-0,36=2,2-109 т СО2/год). Суммируя по каждому году (с 1971 г. по 2008 г.) превышение выбросов СО2 при дыхании человечества, получили ЕДМСО2(дых.)=23-109 т СО2.
Из представленных данных следует, что за рассматриваемый период увеличились: N - с
3,5 до 6,5 млрд человек; СС02- с 470 до
590 млн-1 (масс.); массовое содержание СО2 в атмосфере ~ на 700-109 т (с 2,8-1012 до 3,5-1012 т), т.е. на 25 %.; АТВ « 0,7°С, т.е. происходило повышение «глобальной» температуры приземного слоя воздуха примерно на 0,1 °С при росте содержания СО2 в атмосфере на 100 млрд т. Ежегодные дополнительные уровни выбросов СО2 в атмосферу с продуктами сгорания топлив составляли от 5 до 40 % ежегодного суммарного накопления СО2 в атмосфере, доля автомобильного транспорта к 2009 г. не превышала ~ 8 %, а доля дополнительного выброса СО2 при дыхании человечества ~ 3 %. Таким образом, если динамика роста содержания СО2 в атмосфере останется неизменной, то его масса к 2020 г. возрастет примерно на 200 млрд т (рис. 2) и составит ~ 3,75-1012 т, при этом «глобальная» среднегодовая температура приземного слоя атмосферы может подняться примерно на 0,2°С.
США и Китай, которые ответственны за 40 % мировых выбросов СО2 в атмосферу, на 15-й климатической конференции ООН предложили к 2020 г. снизить годовые выбросы СО2 в этих странах на 14 - 17 % по сравнению с 2005 г., т.е. (табл. 1) на лаш2~30-109-0,4-0Д7«2-109 т/год. Ряд стран Европы, Россия, Украина и т.д., ответственные за 60 % мировых выбросов СО2, попытаются уменьшить выбросы СО2 к 2020 г. в среднем на 25 % по сравнению с 1990 г., т.е. (табл. 1) на ЛСШ2~24-109-0,6-0,25« «3,6-109 т/год. Общее снижение мировых уровней выбросов СО2 с продуктами сгорания топлив в 2020 г. может составить ~ 5,6-109 т/год, что сможет обеспечить уменьшение среднегодовой «глобальной» температуры на ДВ « 0,1- (5,6/100) «
«0,006 °С. Поэтому, предложенные на 15-й климатической конференции ООН решения, связанные со снижением уровней выбросов СО2 с продуктами сгорания топлив, являются неконструктивными и не направлены на решение важнейших для всего человечества глобальных проблем: продовольственной, топливно-энергетической и экологической, которые последовательно способствовали бы стабилизации климата на планете. Создание же транснациональными корпорациями «виртуального» рынка перепродажи между государствами свободных единиц сокраще-
ния выбросов СО2 является одной из афер XXI века.
Выводы
Игнорирование «глобального потепления» климата на планете, оправдываемое его недостаточной изученностью, - не самый благоразумный выбор для человеческого общества, и за него в ближайшем будущем придется дорого платить. Поэтому для стабилизации климата на планете человечеству (включая международные организации, в том числе, ООН и Совет Европы, правительства государств и т. д.) необходимо скоординировать свои действия на снижение антропогенно-экологической нагрузки на природу, обеспечивая при этом:
- увеличение объемов и продуктивности фотосинтеза на планете (восстановление и посадка новых лесных массивов, расширение угодий под кормовые и продуктовые растения и т.д.), что приведет к оздоровлению биосферы, повышению интенсивности стоков СО2 из атмосферы, а также расширению продовольственного потенциала планеты. «Озеленение» планеты Земля должно стать важнейшим социально-экономическим мотивом дальнейшего развития человеческого общества;
- экологизацию хозяйственной деятельности, в первую очередь промышленности, энергетики, транспорта, быта, на основе использования наукоемких экологически чистых технологий, в том числе, применение в промышленности технологий с замкнутыми производственными циклами, не нарушающих природного равновесия. Для этого необходимо широкое развитие мирового рынка высокоэффективных экотехнологий;
- экономизацию хозяйственной деятельности на основе внедрения высокоэффективных технологий использования природных ресурсов, в том числе, высокоэкономичных и экологически чистых технологий сжигания традиционных и альтернативных энергоносителей, а также - технологий, с более широким применением возобновляемых источников энергии, что приведет к существенному снижению: удельного потребления энергоносителей, уровней выбросов в атмосферу экологически опасных ингредиентов, а также -СО2, что будет способствовать решению как
экологической проблемы, так и снижению накопления СО2 в атмосфере.
В настоящее время уже видны первые реальные шаги к созданию автотранспортных средств с повышенными топливно-экологи-ческими показателями. В странах ЕС, США, Японии введены жесткие ограничения на уровни выбросов экологически опасных ингредиентов с ОГ автомобилей (например, в ЕС - «Евро-V», подготавливаются -«Евро-VI»). Кроме того, немецкая транспортная ассоциация на протяжении последних лет формирует так называемый экологический рейтинг автомобилей по критериям, отражающим степень вредного воздействия на ОС и здоровье человека отдельных составляющих ОГ. На первое место она ставит канцерогенные углеводороды, которые выбрасываются с ОГ автомобилей. Федеральное ведомство по охране ОС, разделяя эти оценки, способствовало тому, что правительством ФРГ была сформулирована задача: в ближайшие годы уменьшить обусловленные автотранспортом выбросы канцерогенов на 90 % [7]. Автомобильные фирмы США переходят на выпуск легковых автомобилей с расходом топлива, не превышающим ~ 6 л на 100 км городской езды. Одним из наиболее вероятных направлений, способных качественно изменить сложившуюся ситуацию в мировой транспортной энергетике, во многих странах считается переход к водородному топливу. Работы по развитию водородной энергетики в настоящее время активно ведут многие страны мира, включая США, Россию, Японию, Китай, Индию, Канаду, Австралию, станы ЕС, Украину [7 - 10]. Водородная энергетика интенсивно внедряется в Германии. На федеральном уровне на работы по водородной энергетике выделяется более 100 млн евро в год. Информация о водородных проектах поступает и из других стран Евросоюза. Так, в Испании управление городским транспортом Барселоны в рамках европейского проекта «Clean urban transport for Europe» («Чистый городской транспорт для Европы») в порядке эксперимента запустило в эксплуатацию три линии автобусов с водородными топливными элементами.
Литература
1. Мелешко В. П. Потепление климата: причины и последствия / В. П. Мелешко // Химия и жизнь. - 2007. - № 4. - С. 1 - 7.
2. Оценочный доклад об изменениях кли-
мата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т.1. Изменение климата.- М. : Госгидромет, 2008. -230 с.
3. Семиноженко В. П. Энергия. Экология.
Будущее / В. П. Семиноженко, П. М. Ка-нило, В. Н. Остапчук, А. И. Ровенский. -Харьков : Прапор, 2003. - 464 с.
4. Козин Л. Ф. Современная энергетика и
экология: проблемы и перспективы / Л. Ф. Козин, С. В. Волков. - К. : Наук. думка, 2006. - 775 с.
5. Рудько Г. I., Адаменко О. М. Конструк-
тивна геоеколопя: науковi основи та практичне втшення / За ред. Г. I. Рудька. - Ч. : ТОВ «Маклауд», 2008. - 320 с.
6. BP Statistical Review of World Energy June
2009(http://www.bp.com/statisticalreview).
7. Канило П. М. Анализ эффективности и
перспектив применения водорода в автомобильном транспорте / П. М. Кани-ло, М. В. Шадрина // Проблемы машиностроения. - 2006. - Т. 9. - № 2. -С.79-85.
8. Кузык Б. Н. Россия : стратегия перехода
к водородной энергетике. / Б. Н. Кузык. - М. : Инст. эконом. исследований,
2007. - 400 с.
9. Канило П. М. Перспективы становления
водородной энергетики и транспорта / П. М. Канило, К. В. Костенко // Авто-моб. транспорт. - Харьков : ХНАДУ. -
2008. - Вып. 23. - С.107 - 113.
10. Канило П. М. Угольно-водородные паро-
газовые комплексы с дополнительным производством синтетических топлив / П. М. Канило, В. В. Соловей, В. Е. Кос-тюк, К. В. Костенко // Пробл. машиностроения. - 2009. - Т. 12. - №4. -С. 64 - 72.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 октября 2010 г.
