The study of dynamics of emissions from road transport in Moscow from 2002 to 2030

Full Text

Исследование динамики изменения выбросов вредных веществ от автомобильного транспорта в г. Москва с 2002 по 2030 годы к.т.н. Азаров В.К., Васильев А.В., д.т.н. проф. Кутенёв В.Ф., к.т.н. Степанов В.В. ФГУП «НАМИ», (903) 792-89-78, vakutenev@nami.ru Аннотация. В статье изложены материалы по исследованию выбросов вредных веществ от автомобильного транспорта в крупных городах на примере г. Москвы. Прогнозируется увеличение вредных выбросов от роста парка автомобилей до 2030 года. Показано значительное превышение выброса вредных твердых частиц в отработавших газах, нормируемых Правилами ООН и общих выбросов твердых частиц от износа шин, тормозных систем и дорожного полотна, которые в насто- ящее время не нормируются. Обосновывается необходимость разработки стан- дартов по нормированию их выбросов. Ключевые слова: выброс вредных веществ, отработавшие газы автомоби- лей, износ шин, износ дорожного полотна, твердые частицы, загрязненность воздушной среды городов. В больших городах нашей страны еще три десятка лет назад автомобили не были ос- новным источником загрязнения атмосферы. Сейчас экологические проблемы автотранспор- та в крупных российских городах стали серьезной проблемой. Автотранспорт уверенно вы- шел на первое место среди всех прочих источников загрязнения воздуха. По данным ВОЗ в Париже, Лондоне, Москве, Петербурге летом 2015 г. было отмечено появление смога в безветренную погоду [1 - 3]. Однако, необходимо отметить, что автомобильный транспорт загрязняет атмосферу и поверхность города не только отработавшими газами (ОГ), но и твердыми частицами не- выхлопного происхождения. Это утверждение касается выбросов, образующихся в результа- те износа шин, тормозов и дорожного покрытия [1 - 3]. Так как эти выбросы не привлекали к себе внимание как дымящие отработавшие газы, они долгое время оставались в тени, поэтому в экологической и технической литературе бы- ло мало информации по этому вопросу. Хотя уже давно было доказано, что твердые частицы невыхлопного происхождения в первую очередь от износа шин и дорожного полотна нега- тивно влияют на здоровье людей, приводя даже к заболеванию раком дыхательной системы [2]. В 2011 - 2013 гг. в НАМИ были проведены исследования по сравнению выбросов в ат- мосферу городской среды вредных веществ с отработавшими газами легковых, грузовых ав- томобилей и автобусов с вредными выбросами от износа шин и тормозных накладок, этих же автомобилей [3]. В 2002 году Мосэкомониторингом были проведены исследования по определению вли- яния автомобильного грузового транспорта на экологическое положение в городе Москва. По экологическим характеристикам в 2002 г. 90% парка автотранспорта соответствовало уровню Евро-0 Международных Правил ООН. В таблице 1 приведены результаты расчета экологического ущерба в 2002 г. от грузового автотранспорта г. Москвы [4]. В суммарные выбросы вредных веществ включены: окись углерода, углеводороды, окислы азота. Однако для здоровья населения наибольшую опасность представляют канцерогенные вещества (са- жа, твердые частицы, бензол, бутадиен) и опасные органические вещества (формальдегид, акролеин, толуол, ксилолы). В настоящее время (2015 г.) произошло значительное увеличение всего автомобильно- го парка г. Москвы. Ученые, занимающиеся прогнозированием состояния автомобильного парка, утверждают, что этот рост сохранится и на длительное время вплоть до 2030 года [5]. Данные ГИБДД о составе парка и проведенные исследования позволили определить динами- ку роста по годам, которая представлена в таблице 2. Результаты расчета экологического ущерба в 2002 г. от грузового автотранспорта г. Москва Таблица 1 Суммарные выбросы от всех загрязняющих ис- точников,% В том числе от автомобильного транспорта, % Суммарные выбросы по видам автомобильного транспорта, % Всего В том числе От легковых, перевозок От грузовых перевозок От автобусных перевозок 100 85 100 60 26,5 13,5 Сумма годовых выбросов от грузового парка авто- мобилей, тонн В том числе удельные годовые выбросы, тонн На 1 автомобиль На 1 жителя Москвы На 1 гектар площади города 250 900 1,117 0,189 15,3 Состав парка автомобилей по данным ГИБДД Таблица 2 Автомобили 2002 год, тыс. шт 2014 год, тыс. шт 2020 год, тыс. шт 2030 год, тыс. шт Легковые 1 495,1 3 773,2 4 603,0 5 762,0 Легкогрузовые + грузовые 224,6 346,7 391,2 453,1 Автобусы 5,0 48,9 58,4 78,6 В прогнозе предусматривается развитие конструкции автомобильного транспорта за счёт дизелизации и перевода на альтернативные виды топлива, а также и на другие типы комбинированных энергоустановок (КЭУ). Этот процесс изменения отражен в таблице 3. Таблица 3 Тип ЭУ 2011 2021 2031 Легковые АТС в % Дизель 6,6 1,4 20,3 Бензин 93,4 66,0 37,8 Газ 0 6,5 13,5 Гибрид (КЭУ) 0 7,0 14,9 Н2 + ТЭ + Э*) 0 6,5 13,5 ВСЕГО % 100 100 100 Грузовые АТС в % Дизель 41,7 48,0 53,0 Бензин 58,3 44,0 31,0 Газ 0 4,0 8,0 Гибрид (КЭУ) 0 2,0 4,0 Н2 + ТЭ + Э*) 0 2,0 4,0 ВСЕГО % 100 100 100 Автобусы в % Дизель 80,6 81,1 82,0 Бензин 19,4 10,9 2,0 Газ 0 4,0 8,0 Гибрид (КЭУ) 0 2,0 4,0 Н2 + ТЭ + Э*) 0 2,0 4,0 ВСЕГО % 100 100 100 *) - «Н2 + ТЭ + Э» - автомобили, работающие на водороде, топливных элементах, электромобили. Учитывая весьма бурный рост парка легковых автомобилей в мегаполисе г. Москва, целесообразно отдельно провести расчетные исследования по оценке влияния изменения со- става парка легковых автомобилей на выброс всех вредных веществ в атмосферу г. Москвы, как с отработавшими газами, так и от износа шин и тормозных накладок. Анализ выбросов вредных веществ с отработавшими газами легковых автомобилей производился по нормативам международных правил ООН №83 приведенных в таблице 4. Таблица 4 Нормы Год введения Допустимая норма, г/км Европа Россия СО СН NOX PM Евро-0 14,5 4,75 Евро-1 1992 2002 2,72 0,97 Евро-2 1996 2006 2,2 0,5 Евро-3 2000 2008 2,3 0,2 0,15 Евро-4 2005 2013 1,0 0,1 0,08 Евро-5 2009 2016 1,0 0,1 0,06 0,005 Евро-6 2014 2018 0,50 0,1 0,06 0,005 Итак, по прогнозу (таблица 2) парк легковых автомобилей в период с 2002 по 2030 гг. будет резко увеличиваться. Это увеличение отражается следующими цифрами по сравнению с 2002 г.: в 2014 г. - 2,5 раза; в 2020 г. - 3,1 раза; в 2030 г. - 3,8 раза. Однако, выбросы от двигателей легковых автомобилей, с учетом перехода (в основной массе) с Евро-0 на Евро-1 в 2002 г., проявятся обновленным на 50% парком только в 2014 г., а при переходе в 2012 г. на Евро-4, они смогут проявиться только в 2020 г., а Евро-6 окажет влияние на выброс только в 2030 г. С учётом этого результаты расчетов ежегодных выбросов вредных веществ в тоннах с ОГ от легковых автомобилей приведены в таблице 5. При расчете принят усредненный еже- годный пробег легковых автомобилей в 30000 км. Таблица 5 Год Количество легко- вых автомобилей, шт Ожидаемые выбросы, т в год СО СН NOX PM 2002 г. 1 495 100 650 389 213 052 --- 2014 г. 3 773 200 307 893 109 800 --- 2020 г. 4 603 000 138 090 13 809 11 047 --- 2030 г. 5 762 000 86 430 17 286 10 372 864 Расчеты показали, что общее количество вредных выбросов с ОГ легковых автомоби- лей за исследуемый период будет значительно уменьшаться из-за высокой эффективности введения жестких нормативов Евро-5 и Евро-6 Правил ООН №83 на их выброс. Так сниже- ние выбросов CO, CH и NOX в 2014 г. произошло в 2 раза в 2020 г. будет в 4 раза, а в 2030 г. в 5 раз. Рассмотрим, как изменятся вредные выбросы твёрдых частиц от шин и тормозных накладок легковых автомобилей за период с 2002 по 2030 гг. Темп износа шин и тормозных накладок был взят из результатов работы [3]. Расчет выбросов в тоннах приведён в таблице 6. Таблица 6 Год Количество легко- вых автомобилей, шт Средний пробег автомобиля за год, км Выбросы за год, тонн Общая сумма выбросов твёр- дых частиц, т от шин (при ин- тенсивности изно- са шин автомоби- ля - 0,132 г/км), т тормозов, (при интен- сивности износа тор- мозов автомобиля - 0,0088 г/км), т 2002 1 495 100 30 000 5 920 395 6 315 2014 3 773 200 30 000 14 942 996 15938 2020 4 603 000 30 000 18 228 1 215 19443 2030 5 762 000 30 000 22 818 1 521 24 339 Расчеты показывают, что неуклонное увеличение количества легковых автомобилей в мегаполисе Москва отрицательно сказалось и будет сказываться на экологическом состоянии воздушной среды в городе. Годовое (в тоннах) количество выбросов вредных веществ от шин и тормозов по сравнению с 2002 г. увеличилось в 2014 г. в 2,5 раза, в 2020 г. увеличится в 3 раза, в 2030 г. почти в 4 раза. Оценим влияние изменения парка грузовых автомобилей и автобусов в г. Москве на вредные выбросы твёрдых частиц от шин и тормозных накладок. Парк грузовых автомобилей и автобусов в г. Москве (таблица 2) неуклонно растет. По сравнению с 2002 г. такое увеличение по грузовым автомобилям составляет: 2014 г. - 1,5 ра- за; 2020 г. - 1,7 раза; 2030 г. - 2 раза. По автобусам такое увеличение составляет: в 2014 г. - в 9,8 раза, в 2020 г. - в 11,7 раз, в 2030 г. увеличение ожидается в 15,7 раза. За рассматриваемый промежуток лет произойдет изменение конструкций двигателей грузовых автомобилей и их количественный состав. В настоящее время и на будущее (прогноз) намечается продолжение дизелизации гру- зовых автомобилей и перевод на альтернативные виды топлива и различные типы энерго- установок (КЭУ), однако при этом сохранится значительное количество малотоннажных гру- зовых автомобилей с бензиновыми двигателями. Если в 2011 г. их процент составлял 58,3%, то в 2021 г. будет около - 44,0%, а в 2030 г. все же сохранится около - 31% (таблица 3). На городские автобусы традиционно ставятся дизельные двигатели. Их доля в общем количестве автобусов сохранится на уровне 81 - 82 % (таблица 3). Выбросы с ОГ двигателей грузовых автомобилей и автобусов необходимо анализиро- вать, с учетом перехода (в основной массе) с Евро-0 на Евро-1 в 2002 г., который проявился обновленным на 50% парком только в 2014 г., а при переходе в 2010 г. на Евро-4, они смогут проявиться только после 2020 г., а Евро-5 окажет влияние на выброс только после 2030 г. Предельно допустимые выбросы дизельных двигателей грузовых автомобилей по Пра- вилам ООН №49 представлены в таблице 7. Таблица 7 Нормы Год введения в России Допустимая норма, г/квт·ч СО, CmHn, NOx, Твердые части- цы, Европа Россия Евро-1 1993 2002 4,5 1,1 8,0 0,36 Евро-2 1996 2006 4,0 1,1 7,0 0,15 Евро-3 2000 2008 2,1 0,66 5,0 0,10 Евро-4 2005 2013 1,5 0,46 3,5 0,02 Евро-5 2008 2016 1,5 0,25 2,0 0,02 Евро-6 2013 2018 1,5 0,13 0,4 0,01 Результаты расчетов выбросов вредных веществ в тоннах с отработавшими газами от двигателей грузовых автомобилей и автобусов приведены в таблице 8. Таблица 8 Год Количество грузо- вых автомобилей и автобусов, шт Ожидаемые выбросы вредных веществ с ОГ, т в год СО СН NOX PM 2002 г. 229 600 332 920 109 060 --- 2014 г. 395 600 107 603 38 373 --- 2020 г. 449600 44 960 4 496 3 597 --- 2030 г. 531 700 26 585 5 317 3 190 266 Применение норм, Евро-3 и Евро-4 ограничивающих и уменьшающих выбросы от дви- гателей грузовых автомобилей и автобусов, согласно Правил ООН №49 приводят к положи- тельным эффектам, улучшающим экологию в городе, несмотря на увеличение количества автомобилей. Так в 2014 г. произошло снижение вредных выбросов с ОГ в 3 раза от выбро- сов в 2002 г., в 2020 г. в 7 - 10 раз, в 2030 г. ожидается в 10 - 12 раз. Рассмотрим, что произойдет с общими выбросами от шин и тормозных накладок грузо- вых автомобилей и автобусов за период с 2002 по 2030 гг. На основании анализа эксплуатации принимаем усредненный пробег грузовых автомо- билей и автобусов в Москве равным 70 000 км [6]. Результаты расчета выбросов твердых ча- стиц приведены в таблице 9. Проведенные расчеты выявили прямую зависимость количества выбросов от износа шин и тормозных механизмов от количества грузовых автомобилей и автобусов. Увеличение автомобилей и автобусов приводит к значительному увеличению количества выбросов; их годовое значение по сравнению с 2002 г. увеличилось в 2014 г. в 1,7 раза, в 2020 г. увеличит- ся в 1,96 раза, в 2030 г. - в 2,3 раза. Весьма сложным вопросом, является определение влияния интенсивности износа дорожного покрытия на выброс твердых частиц в окружающую среду г. Москвы. Таблица 9 Год Количество грузо- вых автомобилей и автобусов, шт Средний пробег автомобиля за год, км Выбросы за год, тонн Сумма выбросов твердых частиц, т. от шин (при ин- тенсивности износа шин ав- томобиля - 1,5 г/км), т от тормозов, (при интенсивности изно- са тормозов автомо- биля - 0,168 г/км), т 2002 229 600 70 000 24 108 2 700 26 808 2014 395 600 70 000 41 538 4 652 46 190 2020 449 600 70 000 47 208 5 287 52 495 2030 531 700 70 000 55 828 6 252 62 080 При современном исследовании выбросов от износа дорожного покрытия города необ- ходимо учитывать результаты зарубежных и отечественных исследователей [1, 7, 8, 9]. Необходимо также учесть и следующие положения, которые были изложены на 31 сессии специальной группы по программе измерения «Выбросов твердых частиц невыхлопного происхождения автомобильными транспортными средствами» в 2014 г., образованном в 2013 г. на основании ранее представленных докладов Российской Федерации на 65 и 66 сес- сиях Рабочей группы по проблемам энергии и загрязнения окружающей среды (в 2012 и 2013 гг.) и на 159 и 161 сессиях Всемирного форума по конструкции транспортных средств Коми- тета внутреннего транспорта ЕЭК ООН (в 2013 г.): 0,1 - 10% выбросов от износа шин размером менее 10 мкм являются взвешенными, остальные осаждаются на дороге или поблизости; 5 - 30% общих выбросов РМ10 невыхлопного происхождения, образовавшихся в резуль- тате дорожного движения, относятся и к частицам износа шин. Таким образом, специальная международная группа на своей 31 сессии не выделила информацию по выбросам от износа дорожного покрытия, указав косвенно на возможный выброс их от 60 до 95% в общем выбросе твердых частиц. В работе [1] отмечено, что в случае движения на не шипованных шинах, по дорожному полотну без сцепляющего грунта (то есть при условиях, которые довольно часто встречают- ся в Европе) 95% ТЧ10 являются продуктом износа дорожного покрытия, а 5% - продуктом износа шин. По результатам различных исследований [1, 3, 5, 7, 8, 9] можно приближенно пред- определить следующее усредненное распределение выбросов твердых частиц РМ10 от износа шин, тормозных механизмов и дорожных покрытий при движении автотранспорта: 60 - 90% - материал дорожного покрытия; 9 - 36% - выбросы от износа шин автотранспорта; 1 - 4% - выбросы от износа тормозных механизмов автомобилей. При рассмотрении вопроса износа дорожных покрытий в городе Москве воспользуемся работами МАДИ [8]. В результате исследований, выполненных в 2010 г. установлено, что суммарная величина выделения взвешенных частиц РМ10 от транспортных потоков на улич- но-дорожной сети (УДС) крупного города составляет 3682 г/сут.на км на одну полосу дви- жения. При этом 90,2% приходится на износ дорожного покрытия, 4,1% - на износ шин, 4,0% - на выбросы частиц с отработавшими газами, 1,39% - на вынос грунта колесами авто- мобилей, паркующихся на газонах и 0,35% - на износ тормозных накладок автомобилей [10]. Результаты многолетних наблюдений за износом дорожного полотна на Ленинградском проспекте г. Москвы показали, что средняя величина износа дорожного покрытия автомаги- страли составляет 5,3 мм в год [8]. Определение износа позволило провести расчеты по определению интенсивности износа дорожного полотна на примере участка Ленинградского проспекта в районе Речного вокзала длиной в 1 км, 5 полос движения в каждую сторону, ши- рина полосы движения 3,5 м. Расчет интенсивности износа дорожного полотна выполнялся при следующем условии: движение грузового транспорта (грузовые автомобили, автобусы и автопоезда) в каждую сторону осуществлялось по одной полосе, а легковой транспорт по четырем полосам с каждой стороны с интенсивностью движения отраженной в таблице 10 [8]. Согласно проведенных расчетов общий выброс твердых частиц от износа мерного участка дороги (1 км) составил в год 389 550 кг, а интенсивность износа дорожного полотна при движении легкового автотранспорта составила 3,64 г/км от одного автомобиля, и 10,6 г/км от одного грузового автомобиля или автобуса. Проведенными исследованиями в Швеции определено, что усредненный износ дорож- ного покрытия на улицах в Стокгольме составил от 4 до 6 г/маш.км [7]. Таблица 10 Транспортные средства Интенсивность, авт./сут Доля,% Легковые до 3,5 т. 234 748 92,88 Грузовые 12 396 5,63 Автобусы 6 607 1,3 Автопоезда 1 130 0,19 Итого: 254 882 100 Неуклонное увеличение количества легковых, грузовых автомобилей и автобусов от- рицательно сказалось и будет существенно ухудшать экологическое состояние воздушной среды в городе за счет увеличения выбросов от износа шин, тормозных механизмов и до- рожного полотна. Годовое количество выбросов от шин, тормозов и дорожного полотна по сравнению с 2002 г. увеличилось: в 2014 г. в 2,1 раза, ожидается увеличение в 2020 г. в 2,5 раза и к 2030 г. в 3,0 раза. Результаты расчетов представлены в таблице 11. Таблица 11 Год Выбросы общие, т/год Общая сумма выбросов, т/год От шин От тормозных механизмов От дорожного полотна Легковые автомобили 2002 5 920 395 24 035 30 350 2014 14 942 996 61 392 77 330 2020 18 228 1 215 75 221 94 664 2030 22 818 1 521 94 580 118 919 Грузовые автомобили и автобусы 2002 24 108 2 700 10 748 37 556 2014 41 538 4 652 18 744 64 934 2020 47 208 5 287 21 395 73890 2030 55 828 6 252 25 415 87 495 Результаты исследований, представленные в таблицах 5, 8 и 11, по изменению выбро- сов от шин, тормозных механизмов, дорожного покрытия и с отработавшими газами пред- ставлены на рисунке 1. Рисунок 1. Изменение выбросов ТЧ с отработавшими газами, от износа шин, тормозных накладок и дорожного полотна с 2002 по 2030 гг. в г. Москве Выводы Количество вредных выбросов с ОГ легковых автомобилей в период до 2030 г. будет зна- чительно уменьшаться из-за высокой эффективности введения жестких нормативов Пра- вил ООН №83 на их выброс. Применение норм, Евро-3 и Евро-4 ограничивающих и уменьшающих выбросы от двига- телей грузовых автомобилей и автобусов, согласно Правил ООН №49 приводят к поло- жительным эффектам, улучшающим экологию в городе, несмотря на увеличение количе- ства автомобилей. Неуклонное увеличение количества легковых автомобилей в мегаполисе Москва отрица- тельно сказалось и скажется на экологическом состоянии воздушной среды в городе. Го- довое (в тоннах) общее количество выбросов твердых частиц от шин, тормозных меха- низмов и дорожного полотна по сравнению с 2002 г. увеличилось в 2014 г. в 2,5 раза, в 2020 г. увеличится в 3 раза, в 2030 г. почти в 4 раза. Увеличение парка грузовых автомобилей и автобусов приводит к увеличению количества выбросов твердых частиц от износа шин, тормозных механизмов и дорожного полотна. Их общий выброс по сравнению с 2002 г. увеличился в 2014 г. в 1,7 раза, в 2020 г. увели- чится в 1,96 раза, в 2030 г. - в 2,3 раза. Общее годовое количество выбросов от шин, тормозов и дорожного полотна при движе- нии всех видов транспорта по сравнению с 2002 г. увеличилось: в 2014 г. в 2,1 раза, ожи- дается увеличение в 2020 г. в 2,5 раза и к 2030 г. в 3,0 раза. Увеличение выбросов вредных веществ от автомобильного транспорта в г. Москве в пе- риод с 2002 по 2030 гг. носит постоянный характер, что уже в настоящее время заставля- ет задумываться о разработке плана мероприятий по существенному снижению загрязне- ний.

About the authors

V. K Azarov

FSUE "NAMI"

Email: vakutenev@nami.ru
Ph.D.

A. V Vasiliev

FSUE "NAMI"

Email: vakutenev@nami.ru

V. F Kutenev

FSUE "NAMI"

Email: vakutenev@nami.ru
Dr.Eng., Prof.; (903) 792-89-78

V. V Stepanov

FSUE "NAMI"

Email: vakutenev@nami.ru
Ph.D.

References

Supplementary files