CC BY
97
УДК 629.33-62:504.06:001.891
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА - РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ОТЕЧЕСТВЕННОГО АВТОТРАНСПОРТА
© 2011 г. В.Г. Тамадаев, Л.М. Негинский, Е.В. Харченко
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Произведен анализ загрязнения атмосферы выбросами отработавших газов автомобилей, описаны их вредные воздействия на окружающую среду и человека, предложено использование природного газа как альтернативного вида топлива в решении экологических проблем.
Ключевые слова: экологические проблемы; отработавшие газы; вредные компоненты; автомобильный транспорт; загрязнение; природный газ; пассажирские перевозки.
The analysis of pollution of atmosphere is made by exhaust emissions of cars, their harmful influences on environment and the person are described, use of natural gas, as alternative kind offuel in the decision of environmental problems is offered.
Keywords: ecological problems; fulfilled gases; harmful components; motor transport; pollution; natural gas; passenger transportations.
Автомобильный транспорт является самой динамичной и быстроразвивающейся отраслью мировой экономики, он обеспечивает транспортные услуги в различных областях деятельности человека. При этом необходимо отметить, что транспорт является главным потребителем нефти (по оценкам специалистов до 70 % от общего объёма добычи), поскольку в качестве моторного топлива в основном используются продукты нефтепереработки - бензин и дизельное топливо. Являясь безусловным благом нашей цивилизации, автотранспорт имеет оборотную, негативную сторону - он наносит колоссальный вред здоровью людей и окружающей среде вредными веществами, содержащимися в отработавших газах.
При сжигании 1 кг бензина из атмосферы извлекается 2,9 кг кислорода, что соответствует 13,4 кг воздуха, а обратно выбрасывается до 140 г углекислого газа, до 60 г углеводородов (СНД до 10 г окислов азота (N0*) и огромное количество полиароматических углеводородов (ПАУ), являющихся наиболее канцерогенными веществами. С учётом того что суммарная мощность двигателей транспортных средств в целом превосходит суммарную мощность электростанций, применение традиционного нефтяного моторного топлива на транспорте вступает в жёсткое противоречие с решениями, принятыми в рамках Ки-отского протокола и климатической конвенции (Рио-де-Жанейро, 1992 г.), определяющих значительное сокращение выбросов СО2 и других парниковых газов в XXI в. В настоящее время использование автотранспорта обострило такие проблемы, как глобальное потепление, парниковый эффект, кислотные дожди, смог, ухудшение здоровья и сокращение жизни значительной части человечества.
Если в 1896 г. в мире всего было четыре автомобиля, то в 1920 г. уже около 10 млн автомобилей.
В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает более 750 млн единиц и продолжает расти. По статистике каждые две секунды с конвейеров автомобильных заводов сходит новый автомобиль, что приводит к резкому повышению автомобилизации населения мира. В 2005 г. на 1000 человек в мире приходилось около 120 автомобилей, в 2025 г. эта цифра увеличится до 160 единиц.
По оценкам зарубежных специалистов, если сегодняшний темп прироста автомобилей сохранится в ближайшие 20 лет, то уже к 2025 г. в мире будет свыше 1,5 млрд автомобилей. Естественно, что столь интенсивное развитие автотранспорта стало оказывать серьёзное негативное воздействие на все компоненты биосферы. Антропогенное воздействие на окружающую среду от использования автотранспортных средств определяется огромным количеством вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу вместе с отработавшими газами автомобилей. Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания содержат сложную смесь, насчитывающую более двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенов, например окислов свинца, тетраэтилсвинца и т.д. Так, только один легковой автомобиль поглощает из атмосферы за год в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Только в России общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых отечественными автомобилями в атмосферу, превышает цифру в 30 млн т.
Состав и объёмы выбросов во многом зависят от типа двигателя автотранспортного средства. В табл. 1 показан состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей.
Таблица 1
Компоненты отработавшего газа Содержание по объёму, % Примечание
Двигатели
бензиновые дизели
Азот 74,0 - 77,0 76,0 - 78,0 Нетоксичен
Кислород 0,3 - 8,0 2,0 - 18,0 »
Пары воды 3,0 - 5,5 0,5 - 4.0 »
Диоксид углерода 5,0 - 12,0 1,0 - 10,0 Токсичен
Оксид углерода 0,1 - 10,0 0,01 - 5,0 »
Углеводороды неканцерогенные 0,2 - 3,0 0,009 - 0,5 Токсичны
Альдегиды 0 - 0,2 0,001 - 0,009 »
Оксид серы 0 - 0,002 0 - 0,03 »
Сажа, г/м3 0 - 0,04 0,01 - 1,1 »
Бензапирен 0,01 - 0,02 До 0,01 Канцероген
В связи с тем что отработавшие газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их распределения значительно отличается от аналогичного процесса для высоких стационарных источников загрязнения, то они находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей, которые пролегают вдоль полей, засаженных кормовыми культурами, использующимися в питании домашних животных и людей. Чтобы реально оценить негативное влияние компонентов отработавших газов автотранспорта на окружающую среду и человека, рассмотрим свойства основных из этих компонентов.
СО, %
0,06 0,04 0,02 0,01
0,006
Оксиды азота (N0, N0^ ^0, ^03, ^05, в дальнейшем - N0*) являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. В отработавших газах двигателей более 90 % всего количества N0* составляет оксид азота N0, который ещё в системе выпуска двигателя, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (N0^. Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают лёгкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека N0* проявляется не сразу, а постепенно, причём каких-либо нейтрализующих средств нет. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее СО, а при учёте вторичных превращений - в 40 раз.
Оксид углерода (СО - угарный газ) - это прозрачный, не имеющий запаха, ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода -продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа).
В камере сгорания двигателя СО образуется при неудовлетворительном распыливании топлива в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация СО в отработавших газах невелика (примерно 0,1 - 0,2 %), поэтому, как правило, концентрация СО определяется для бензиновых двигателей. Окись углерода при вдыхании попадает в кровь человека и вытесняет из неё кислород, при этом поражаются нервная система и сердечная мышца (из-за чего возникает стенокардия). Предельно допустимая концентрация (ПДК = 1 мг / м3) даже при кратковременном воздействии вызывает смерть.
Действие СО на организм человека представлено на графике (рис. 1).
Рис. 1. Действие СО на организм человека
0,004 0,002
Бензопирены чрезвычайно опасны для человека даже при очень малых концентрациях, так как обладают свойством накапливаться в организме (особенно в крови) до критических концентраций, вызывая раковые заболевания. Канцерогенные вещества, как любая мелкая пыль, накапливаются в частицах сажи при выбросе отработавших газов.
Свинцовые соединения (РЬ) - это опасные для здоровья человека компоненты отработавших газов, которые накапливаются и не выводятся из организма человека. Свинцовые соединения поражают органы и ткани организма, нервную систему, желудочно-кишечный тракт, нарушают обменные процессы. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседают на земле сразу, а 40 % остаются в атмосфере. Отсюда необходимость убрать как можно дальше от проезжих дорог посевы различного назначения всех видов, а также выгонные земли для выпаса скота. Распределение концентрации свинца и его соединений на почве и растениях представлено на рис. 2.
Рис. 2. Концентрация свинца и его соединений на почве (снизу) и растениях (сверху) в зависимости от расстояния до автострады
Задачей данной статьи является выработка рекомендаций, на каком расстоянии от дорог можно высаживать кормовые культуры и овощи, сведя к допустимому минимуму опасное и вредное влияние выбросов отработавших газов. Один грузовой автомобиль средней грузоподъёмности выделяет 2,5 - 3,0 кг свинца в год. Мировой автопарк ежегодно выбрасывает в атмосферу около 250 тыс. т свинца в виде аэрозолей.
Углеводороды (СпНт - этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) - органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В отработавших газах содержится более 200 различных углеводородов. Они играют главную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание и наносящих ущерб растительному и животному миру.
Смог - вредные вещества отработавших газов автотранспорта, поступая в атмосферу, вступают в реакцию между собой и образуют новые, зачастую ещё более токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. Так образуется смог - ядовитый туман, представляющий собой аэрозоль, состоящий из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости и возникающий в атмосфере крупных городов при определённых метеорологических условиях. Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отёки, кровоизлияния, осложнение заболеваний дыхательных путей.
Для решения экологических проблем использования традиционных нефтепродуктов в автомобильном транспорте практически во всех развитых странах были приняты меры по регулированию выбросов в атмосферу вредных компонентов отработавших газов автомобилей, а экологичность транспорта на стадии его проектирования стоит в одном ряду с его потребительскими качествами и безопасностью. Так, в настоящее время в развитых странах ЕС введены нормы «Евро - 4» (для грузовых автомобилей «Евро - 5»), которые на 70 - 80% ужесточили требования к концентрации вредных веществ в отработавших газах автомобилей за последние 10 лет. К сожалению, это не относится к России. Хотя официально наша страна перешла на стандарт «Евро - 3» в 2008 г., большинство из 45 млн автомобилей страны не соответствует даже устаревшим европейским экологическим требованиям «Евро - 2». Средний возраст автотранспортных средств остаётся значительным и составляет более 10 лет, в том числе 10 % парка составляют автомобили, эксплуатируемые свыше 15 лет, полностью изношенные и подлежащие списанию. Официально заявлено, что выпуск автомобилей в России, соответствующих стандарту «Евро - 4», будет начат с 2012 г.
Проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта являются составной частью экологической безопасности страны. Значимость и острота этой проблемы растут с каждым годом. Вызывает тревогу тот факт, что, несмотря на ежегодно увеличивающиеся на 3,1 % объёмы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств, в стране практически не принимается мер по решению проблемы улучшения экологических качеств автотранспорта. В результате величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России превысила 4 млрд долларов и продолжает расти.
Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям при продолжающемся увеличении транспортных потоков приводит к постоянному возрастанию загрязнения атмосферного воздуха. Наиболее опасно то что в России от автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество канцерогенных веществ (более 40 тыс. т бензола, около 25 тыс. т формальдегида и 2,5 т бензапирена) и реально нависла угроза жесточайшего экологического кризиса.
Особенно критическое положение сложилось в мегаполисах, где уровень выбросов вредных веществ от автотранспорта достигает 90 %. Уровень концентрации азота, углерода и других вредных веществ в крупных российских городах в 10 - 18 раз превышает предельно допустимые концентрации. Так, в настоящее время автомобильный парк Москвы превышает 3 млн автомобилей, которые потребляют в год около 5 млн т бензина и дизельного топлива. При этом в виде отработавших газов, продуктов испарения бензина и других вредных примесей в атмосферу ежегодно выбрасывается не менее 1 млн т загрязняющих веществ. Не лучшее состояние и в других крупных городах России.
Вредные вещества при эксплуатации автотранспортных средств поступают в воздух с отработавшими газами, испарениями из топливных систем при заправке, а также с картерными газами. Ещё одним источником загрязнения окружающей среды при росте автомобилизации населения и использовании нефтепродуктов являются испарения моторного топлива на существующих станциях (АЗС). В основном потери нефтепродуктов на АЗС в виде испарений из резервуаров происходят в результате больших «дыханий» резервуаров в процессе «налива-слива». В зависимости от условий (температуры окружающей среды, объёма газового пространства в резервуаре и т.д.) концентрация бензина в вытесняемой из резервуара паровоздушной смеси может достигать существенной величины - 1,2 кг в 1 м3. Ориентировочные расчёты потерь бензина на АЗС показывают, что при «большом дыхании» резервуара объёмом 20 м3 в атмосферу испаряется зимой 11 л, а летом - 23 л бензина. При ежесуточном одноразовом заполнении резервуара в течение месяца в атмосферу попадает зимой 330 л бензина, а летом - 690 л. Таким образом, среднегодовые потери бензина на АЗС из одного резервуара объёмом 20 м3 составляет более 6 т.
Подсчитано, что в целом по РФ ежегодные выбросы вредных веществ от автотранспорта и АЗС составляют около 180 кг на каждого жителя страны.
Не удивительно, что по некоторым оценкам нынешний уровень загрязнения атмосферы ведёт к росту числа заболеваний и сокращению, в среднем на пять лет, срока жизни наших соотечественников. Например, в одном из докладов Минприроды РФ говорится: «Загрязнение атмосферного воздуха оказывает негативное влияние на здоровье россиян. За последние пять лет заболеваемость взрослого населения хроническим бронхитом возросла в 1,7 раза, обращения граждан по поводу приступов бронхиальной астмы увеличились на 30 %. Заболеваемость детей выросла в 1,5 раза. В зонах сверхнормативного загрязнения
воздуха проживает 10 - 15 млн горожан, а численность населения, находящегося на территориях, где уровень шума превышает допустимые пределы, составляет 30 млн чел.». Это ещё раз подтверждает то, что Россия стремительно двигается к экологической и демографической катастрофам. В настоящее время многие зарубежные моторостроительные фирмы взяли курс на соответствие стандартам «Евро - 6» и на решение задач достижения нулевой (Zero) токсичности отработавших газов. В то же время следует признать, что производимые в России автомобили будут ещё 10 - 15 лет отставать по показателям экологичности от автомобилей, выпускаемых в промышленно развитых странах. Поэтому в настоящее время действенным механизмом повышения экологичности отечественного автотранспорта является массовый перевод на альтернативные виды топлива, что позволит обеспечить сокращение выбросов в окружающую среду до уровня, отвечающего жёстким европейским нормам.
Анализ оценки использования различных видов моторного топлива по критерию экологичности показывает, что наиболее чистым топливом является природный газ. Данные по эмиссии токсичных компонентов в отработавших газах двигателей, работающих на различных видах топлива, при оптимальной регулировке топливной аппаратуры приведены в табл. 2 (относительно выбросов двигателей, работающих на бензине, принятых за 100 %).
Результаты исследований токсичности газобаллонных автомобилей показывают, что при замене бензина на природный газ выброс токсических составляющих (г / км) в атмосферу города снизился: оксида углерода в 5 - 10 раз, углеводородов - в 3 раза, окислов азота -в 1,5 - 2,5 раза, ПАУ - в 10 раз, дымности - 8 - 10 раз (в зависимости от типа автомобиля). Приоритетность применения природного газа, как наиболее перспективного экологически чистого моторного топлива, очевидна для многих стран мира. В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Нидерландах, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. В результате налицо явный прогресс. В Нидерландах более 50 % всего автотранспорта используют в качестве моторного топлива природный газ, в Италии - более 20 %; 95 % автобусного парка Вены и 87 % парка Дании работают на газе. В странах Западной Европы для стимулирования газификации предусматривается существенное уменьшение налогов на автомобили, использующие газовое моторное топливо.
Таблица 2
Вид топлива СО ОД, (без метана) NO, Сажа Оксид свинца Бензапирен
Бензин 100 100 100 Нет 100 100
Бензин (двигатель с катализатором) 25 - 30 10 25 Нет Нет 50
Дизтопливо 10 10 50 - 80 100 » 50
Дизтопливо + газ 8 - 10 8 - 10 50 - 70 20 - 40 » 30 - 40
Пропан 10 - 20 50 - 70 30 - 80 Нет » 3 - 10
Природный газ 5 - 10 1 - 10 25 - 50 Нет » 3 - 10
В среднем разница составляет 1,5 - 2,0 раза, кроме того, автовладельцы после конверсии автомобиля освобождаются от налоговых выплат на три года. В Германии эта разница составляет 1,5 раза, в Нидерландах - 1,7 раза. С 1996 г. в Великобритании и Франции существенно понижены налоги на автомобили, использующие газовое топливо. Например, в Великобритании акцизный налог на газ в три раза меньше аналогичного налога на бензин и дизельное топливо. А во Франции автобусы, использующие газ, вовсе освобождены от уплаты налога. В настоящее время практически все ведущие мировые автомобильные фирмы освоили заводской выпуск моделей, работающих на природном газе.
Широкое применение природного газа, как наиболее чистого моторного топлива, введено в ранг государственной политики во многих развитых странах мира. Так, несколько лет назад Европейская экономическая комиссия приняла резолюцию, согласно которой к 2020 г. на газовое топливо должно быть переведено 23,5 млн автомобилей. Для реализации этой резолюции, например, в Германии принята государственная программа, согласно которой предусматривается доведение к 2020 г. использования природного газа в качестве моторного топлива не менее, чем на 30 % автотранспорта (6,5 млн автомобилей).
Роль государства в вопросах улучшения экологических качеств автотранспорта особенно ярко видна на примере США. За последнее десятилетие в США был принят ряд законодательных актов, в которых самое пристальное внимание уделяется проблеме улучшения экологической обстановки в городах и населённых пунктах. В их числе Законы «Об альтернативном моторном топливе», «О чистом воздухе», «Об энергетической политике». На основе этих законов Министерство энергетики США значительно расширило научно-исследовательские работы в секторе потребления энергоресурсов автотранспортом и разрабатывает новые программы по ускоренному широкомасштабному использованию альтернативных видов топлив.
В России в настоящее время существенно меняется структура перевозок. Пассажирские перевозки же-
Поступила в редакцию
лезнодорожным транспортом уменьшатся с 30 до 20 %, а автомобильные - увеличатся с 40 до 55 %. Грузоперевозки железнодорожным транспортом уменьшатся с 65 до 50 %, автомобильным транспортом возрастут с 8 до 16 %. Эти тенденции в изменении структуры грузоперевозок приведут к дальнейшему ухудшению состояния окружающей среды. В связи с этим массовый перевод автотранспортных средств на природный газ является наиболее рациональным, ресурсообеспеченным и приемлемым путём решения экологических проблем отечественного автотранспорта и российских мегаполисов.
Выводы
Безусловно, проблема перевода автотранспорта на природный газ зависит от решения комплекса сложных задач, среди которых наиболее значительными являются: серийное производство газобаллонных автомобилей; создание инфраструктуры (сети) заправочных комплексов; разработка и производство надёжного газобаллонного оборудования; создание сервисной сети для переоборудования автотранспортных средств; подготовка кадров; правовое и рекламно-информационное обеспечение и т.д.
Все эти программы по улучшению экологической обстановки и газификации автотранспорта в России могут быть реализованы только при соответствующей государственной поддержке и непосредственном участии федеральных властей.
Литература
1. Льотко В.И., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М., 2000.
2. Давыдова С.Л. Автотранспорт продолжает загрязнять окружающую среду // Экология и промышленность России. 2000. № 7.
3. Международный научно-технический журнал «АвтоГазо-Заправочный Комплекс+ Альтернативное топливо». 2003 -2009. № 1 - 6.
4. Лозовой В.И., Негинский Л.М., Тамадаев В.Г. Основы технической эксплуатации автомобилей, работающих на альтернативных видах топлива / Юж.-Рос. гос. техн.ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2010.
16 мая 2011 г.
Тамадаев Вячеслав Гаранович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)255-672.
Негинский Леонид Моисеевич - старший преподаватель, кафедра «Энергетика и транспорт», Кавминводский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). Тел. (8635)255-672.
Харченко Евгений Вячеславович - старший преподаватель, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)255-672.
Tamadaev Vjacheslav Garanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Motor Transport and Road Traffic Organization», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)255-672.
Neginckij Leonid Moiseevich - senior lector, department «Energy and Transport», Kavminvod Brunch of SRSTU (NPI) Ph. (8635)255-672.
Harchenko Evgenij Vjacheslavovich - senior lector, department «Motor transport and Road Traffic Organization», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)255-672.
