1.1 Анализ загрязнения окружающей среды автотранспортом в мире

В последние годы проблема загрязнения воздуха автотранспортом в городах большинства стран мира принимает угрожающий характер (Владимиров, 2007).

Одним из элементов автотранспортного комплекса (АТК) является непрерывно растущий автомобильный парк: в настоящее время в мире эксплуатируется более 800 млн. автомобилей, в Европе - свыше 100 млн., в России - 33,4 млн. Из них 83-85 % составляют легковые автомобили и 15-17 % - грузовые и автобусы. Ежегодное производство легковых автомобилей в мире за последние 50 лет увеличилось в 5,5 раза и, например, в 2002 г. составило 60 млн. ед., в том числе в странах ЕС - 16,9 млн. При этом рост объемов выпуска АТС продолжается. В результате они ежегодно потребляют 2,1 млрд. т топлива и выбрасывают в атмосферу ~700 млн. т вредных веществ, т.е.1,3 т/год на один среднестатистический автомобиль. Поэтому и доля автомобильного транспорта в общем загрязнении атмосферы в развитых странах достигала в среднем 45-50 %, России - 40, городах - 50-60, мегаполисах - до 85-90 %. А если взять загрязнения, вносимые всеми видами транспорта, то они у нас распределяются следующим образом: автомобильный - 85,0 %, морской и речной - 5,3, воздушный - 3,7, железнодорожный - 3,5, сельскохозяйственный - 2,5 %. Вторым элементом АТК является производственно-техническая база (ПТБ), включающая в себя: грузовые терминалы; автовокзалы; автозаправочные станции; автостоянки; гаражно-строительные кооперативы; автомойки; автотранспортные предприятия; станции технического обслуживания автомобилей и другие технические объекты, предназначенные для погрузочно-разгрузочных работ, перевозки пассажиров, заправки, хранения, мойки, технического обслуживании и ремонта АТС. Третий элемент АТК - автомобильные дороги, представляющие собой один из важнейших объектов транспортно-коммуникационной инфраструктуры (Ясенков, 2007).

Россия присоединилась к Женевскому соглашению и обязана выполнять Европейские нормативы по выбросу вредных веществ автотранспортом, которые периодически ужесточаются (Стокгольмская конвенция, 2002). Истощение природных энергоресурсов, связанное с постоянным ростом мирового автомобильного парка, делает актуальной проблему создания экологически безопасных энергетических установок автотранспортных средств (Быков и др., 2008).

В Европе в рамках Женевского соглашения в 1970 г. приняты правила 15 и 40 Европейской экономической комиссии ООН, в которых нормировались выбросы оксида углерода и углеводородов с отработавшими газами (ОГ) автомобилей массой до 3,5 т соответственно (Стокгольмская конвенция, 2002).

Автомобильный транспорт эксплуатируется в различных климатических условиях, оказывающих большое влияние на его экологические показатели. Исследования, проведенные в США и европейских странах, показали, что выброс оксида углерода и углеводородов при эксплуатации автомобилей с искровым зажиганием при минусовых температурах увеличивается в 6-10 раз (Звонов и др., 2001). Поэтому в США и Канаде введено нормирование выбросов оксида углерода при отрицательной температуре предварительно охлажденного до - 7 ⁰С автомобиля. Автомобили, не удовлетворяющие этим нормам, облагаются дополнительным налогом (Быков и др., 2008). В странах ЕС постоянно ужесточаются требования к содержанию в автомобильных бензинах серы, бензола, вводятся нормы на содержание олефиновых и ароматических углеводородов, обязательно применение моющих присадок (табл.1) (Карпов, 2006).

Таблица 1

Требования к бензинам в странах ЕС (по данным Карпова, 2006)

Благодаря улучшению экологических показателей автомобильных бензинов, изменению углеводородного состава, введению оксигенатов, моющих присадок и т.д. на 30-40 % сокращается содержание токсичных веществ в ОГ. Использование бензинов с улучшенными экологическими показателями позволяет повысить динамические характеристики автомобильного двигателя, значительно увеличить его ресурс и на 2-4 % снизить расход горючего (Карпов, 2006).

Без применения специальных устройств очистки (фильтров, нейтрализаторов и др.) при использовании EURO топлива можно достичь значительного снижения выбросов твердых частиц и СО. Существенно снижаются выбросы СО₂ (почти в 2 раза). Очевидно, что снижение выбросов сажи может снизить выбросы и наиболее токсичных компонентов, таких, как бенз (а) пирен, количественный выход которого связывают с повышенным содержанием сажи в ОГ транспортных дизелей (Алексеенко и др., 2008).

В России расчет выбросов загрязняющих веществ транспортными потоками при движении автомобилей по городским магистралям проводится в соответствии с требованиями "Методики расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях.М., 1996", утвержденной Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ и Министерством транспорта РФ. Методика основана на требованиях ОНД - 86 (Миляев и др., 2008).

Выбросы углеводородов, поступающие в атмосферный воздух от дизельных автомобилей, нормируются по керосину, от карбюраторных автомобилей - по бензину, от газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, - по метану (Миляев и др., 2008).

Согласно ст.22 Федерального закона № 96 "Об охране атмосферного воздуха" установлена обязательность инвентаризации выбросов вредных веществ и их источников, результаты которой являются базовой основой работ и по нормированию выбросов, и по всей воздухоохранной деятельности (ФЗ № 96, 1999).

Истощение мировых запасов нефти и повышение цен на традиционные моторные топлива вынуждают двигателестроителей искать им замену. К этому же подталкивает и постоянно ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов двигателей. В итоге все чаще стали применять так называемые альтернативные топлива - сжатый и сжиженный газы; топлива, получаемые из природного газа, угля и, что самое главное, из возобновляемых источников энергии. Не случайно ЕЭК ООН уже приняла резолюцию о переводе к 2020 г.23 % европейского автотранспорта именно на альтернативные топлива, в том числе 10 % - на природный газ, 8 - на биогаз и 5 % - на водород (Марков и др., 2006).

Для описания истории топлива применяется концепция "от источника до колеса" (well-to-wheel). Топливная цепь состоит из пяти стадий: выращивание сырья, его транспортировка, производство топлива, его распространение и, наконец, использование в автомобиле (Ahlvik, 2001).

Загрязнение окружающей среды выбросами энергетических установок и транспорта диктует необходимость перехода на новый вид теплоносителя - водород. Одно из направлений развития экологичной водородной энергетики - комбинированное производство водорода на пылеугольных ТЭС. При этом в топливно-энергетический баланс дополнительно вводится уголь. В качестве топлива может применяться неочищенный водород, например, из коксовых печей, где водород содержит примеси метана. Предполагается в будущем устанавливать водородные двигатели на судах, грузовых автомобилях, автобусах (Молчанов, 2006).

Биотопливо в настоящее время разделяется на две категории: этанол, который совместим с бензиновыми двигателями, и биодизельное топливо, которое совместимо с дизельными двигателями на нефтяной основе. Многие виды растений могут давать подходящие для биотоплива урожаи. Этанол в настоящее время изготовляется из двух основных видов исходного сырья: исходного сырья на основе крахмала, такого как кукуруза, зерновые, пшеница, ячмень и сорго обыкновенное; и исходного сырья на основе сахара, такого как сахарный тростник, сахарная свекла, фрукты, цитрусовая меласса и сорго сахарное. Биодизельное топливо имеет более разнообразные виды исходного сырья, чем этанол. Оно получается из масличных культур, главным образом рапса, подсолнечника, сои и пальмового масла, а также животных жиров и отходов растительного происхождения (Потапов и др., 2008).

Экологически благоприятным свойством биодизеля является его высокая биоразлагаемость. С экологической точки зрения, самое большое препятствие для использования биодизеля - это заметное увеличение выхлопов NO_x при не очень существенном сокращении выбросов других компонентов. Исключением является CO₂, по отношению к которому биотопливо считается нейтральным, то есть эти газы находятся на балансе природных процессов: они поглотятся растениями и снова превратятся в растительное сырье (Хохотва, 2008).

Этанол несовместим с некоторыми материалами (пластики, эластомеры, металлы, например, сталь, алюминий и магний), используемыми в двигателях. Его агрессивность по отношению к металлам значительно возрастает в присутствии примеси воды (Thuijl, 2003).

Этанол подвергается биоразложению, поэтому не представляет особой опасности с точки зрения загрязнения воды и почвы в случае проливов (Хохотва, 2008).

Достижение поставленных целей по снижению выброса диоксида углерода требует совершенствования конструкции автомобиля с целью снижения расхода топлива, а также применения альтернативных топлив. Основная роль в снижении выбросов CO₂ отводится повышению топливной экономичности автомобилей. Вторым по значимости для снижения выбросов CO2 можно назвать направление применения биотоплив. В настоящее время рассматривают классификацию биотоплив, представленную в табл.2 (Кутенев, Козлов и др., 2010).

Таблица 2

Современная классификация биотоплива (по данным Кутенева, Козлова и др., 2010)

Таким образом, примерно 80-90 % топлива в мире используется в коммерческих целях на основе близких технологий. Тем не менее, экологические показатели процесса использования топлива для разных стран могут различаться более чем на порядок (Веденяпина и др., 2008).

Проблема утилизации изношенной автомобильной техники имеет неодинаковую приоритетность в промышленно-экологической политике различных стран мира. Если, скажем, Россия на переходном этапе к рыночным отношениям склонна эту проблему не признавать в качестве первоочередной, то, к примеру, Япония уже не может пренебрежительно относиться к ней и должна придать (и придает) ей надлежащую приоритетность. Но наиболее серьезно решают ее в странах ЕС и, в частности, в Германии, где практически каждая семья имеет один или несколько автомобилей и меняет их в среднем через 5-12 лет. В итоге из эксплуатации ежегодно выводится 2,5 млн. только легковых АТС, которые дают 5 млн. т отходов, реализуемых в соответствии с решением властей, принятым в 1998г., в формах, не вредящих окружающей среде и подлежащих повторному полезному использованию. Одновременно здесь действует и постановление о порядке сдачи непригодных машин на утилизацию, в соответствии с которым работает специализированное объединение, включающее 16 головных предприятий по бесплатному приему автомобилей со сроком эксплуатации до 12 лет (Погосян, 2005).

Воздействия, оказываемые на окружающую среду автомобилями, вышедшими из эксплуатации и неутилизированными, очень разнообразны и разнородны по своей природе (Грачев, 2006). Составляющие автомобиль материалы загрязняют атмосферный воздух, почву и воду. Это, в свою очередь, приводит к токсическому воздействию на человека и экосистемы, изменению климата, эвтрофикации (загрязнению водоёмов водорослями), неприятному запаху и т.д. С другой стороны, автомобиль, вышедший из эксплуатации, а также отходы от автотранспортного комплекса являются источником вторичных ресурсов. Неиспользование этих материалов ведет к истощению абиотических ресурсов (руды, нефти, природного газа, других полезных ископаемых), истощению биотических ресурсов (ресурсов растительного и животного происхождения - дерево, бумага, картон, натуральная кожа), истощению почвы, а также к выводу почвы из сельскохозяйственного обращения из-за организации свалок (Кисуленко и др., 2009).