Environmental and economic problems of various projects of "eco-friendly" green car

Full Text

Существующие в настоящее время проблемы с загрязнением воздуха в крупных горо- дах и мегаполисах отработавшими газами (ОГ) автомобилей, несмотря на достигнутые успе- хи за последние 20 лет за счет внедрения норм ООН (Евро-5, Евро-6), дополняются прове- денным в 2011-2013 годах в НАМИ сравнительным анализом большой разницы выбросов твердых частиц от износа шин, тормозных систем и от ОГ [1, 2]. В период 1990-2001 годов стало известно, что вовсе не автомобильные отработанные газы, как это было в действительности в 1965-1970 годах, являются основным загрязнителем городского воздуха, так как до 60% загрязняющих и опасных для здоровья веществ обеспе- чивает истертая в мелкую пыль резина автомобильных шин. За год в одной только Москве этой взвеси выбрасывается в воздух около 10 тысяч тонн (по данным парка автомобилей в 2008 г.), в настоящее время этот выброс уже приближается к 20 тысячам тонн [3]. Долгое время считалось, что размеры твердых частиц продуктов износа протектора шин довольно велики и не могут причинить вред здоровью человека. Однако исследования- ми американских врачей обнаружено, что вблизи автострад городов присутствуют от 3800 до 6900 фрагментов шин в каждом кубическом метре воздуха, более 58% из них оказались раз- мером менее 10 микрон и, следовательно, способны легко проникать в легкие человека. Кстати, такая шинная пыль из организма человека практически не выводится и может при- водить к летальным исходам [4]. Международным агентством по изучению рака, а в нашей стране - Федеральным цен- тром Госсанэпиднадзора - предприятия резиновой и шинной промышленности включены в список канцерогенно опасных. Установлено, что в шинной пыли присутствуют более 140 химических соединений различной степени токсичности, но особенно опасны для здоровья человека полиароматические углеводороды и летучие канцерогенные вещества N- нитрозамины. Вредные вещества N-нитрозамины, содержащиеся в мелкодисперсном аэрозоле, выде- ляемом автомобильными шинами, более опасны для здоровья человека потому, что они при попадании в бронхи и легкие в течение нескольких суток переносятся непосредственно в кровь и лимфу человека за счет своей хорошей растворимости в воде и биологических жид- костях. Последствия наличия канцерогенных веществ в тканевых жидкостях организма ме- дицине хорошо известны и часто приводят к летальным исходам [4]. Производители шин в течение последних 30-40 лет вели интенсивные работы по уве- личению ходимости шин и добились серьезных результатов: увеличили в среднем пробег шин почти в 2 раза: с 30-40 тыс. км до 60-90 тыс. км. В настоящее время конкурентная борьба по увеличению пробега продолжается, и это наглядно видно из рекламных материалов мировых производителей шин. Исследованиями, выполненными в НАМИ, выброс шинной пыли от износа шин был определен следующими темпами выброса твердых частиц (рисунок 1). Выброс с ОГ Выбросы износа Выбросы от тормозных шин механизмов Рисунок 1. Реальный выброс ТЧ с ОГ и при износе шин и тормозных накладок при эксплуатации легковых, грузовых автомобилей и автобусов, в г/км В работе [2] был определен экономический (экологический) ущерб от шинной пыли (таблица 1), который в настоящее время превышает ущерб, наносимый отработавшими газа- ми легковых автомобилей более чем в 40-60 раз, а по автобусам и грузовым автомобилям и коммунальному транспорту более чем в 200-300 раз. Таблица 1 Пробег Выбросы твердых ча- стиц, г/км Выброс ТЧ в кг за ПЖЦ Ущерб, руб.Показатели экологиче- ской опасности Автомобили км от шин Евро-6 от шин с ОГ от шин от ОГ Легковые 300000 0,132 0,005 г/км 39,6 1,5 63152 1130 Грузовые 1000000 1,5 0,01 г/кВт 1500 10 2385000 7050 Исходя из вышеизложенного возникает вопрос: учитывает ли сегодня существующий транспортный налог этот экологический ущерб, наносимый в целом каждым автотранспорт- ным средством? Экологический ущерб, определенный по методике Госкомэкологии [5] от легковых ав- томобилей за 300 тыс. км ресурсного пробега в крупных городах, и его снижение по мере введения норм Евро, а также и определенный возможный ежегодный экологический налог приведены в таблице 2. Таблица 2 Переход по годам нормирования Ущерб, рубли Предотвра- щенный ущерб, руб. Возможный годовой экологический налог, руб. Европа Россия За ежегодный пробег 15000 км 30000 км Евро-0 1991 1997 231965 11600 5800 Евро-0 - Евро-1 1992 2002 45688 186277 2285 1143 Евро-1 - Евро-2 1996 2006 24693 20995 1235 643 Евро-2 - Евро-3 2000 2008 17554 7139 878 439 Евро-3 - Евро-4 2005 2012 8860 8694 443 222 Евро-4 - Евро-5 2009 2014 7670 1190 384 192 Евро -5- Евро-6 2014 2018 7670 0 384 192 Изменение экологического ущерба от грузовых автомобилей и автобусов за 1 млн км ресурсного пробега и возможные суммы ежегодного экологического налога представлены в таблице 3. Таблица 3 Переход по годам нормирования Ущерб, рубли Предот- вращенный ущерб, рубли Возможный годовой экологический налог,рубли Европа Россия За ежегодный пробег 50000 км 100000км Евро-0 1991 1998 3162000 158100 79050 Евро-0 - Евро-1 1993 2002 1669700 1492300 83485 41743 Евро-1 - Евро-2 1996 2006 817405 852295 40870 20435 Евро-2 - Евро-3 2000 2008 544710 272695 27235 13618 Евро-3 - Евро-4 2005 2012 348418 196295 17420 8725 Евро-4 - Евро-5 2008 2014 223000 125418 11150 5575 Евро -5- Евро-6 2013 2018 108000 115000 5400 2700 Из таблиц видно, что снижение экологического ущерба от легковых автомобилей в де- нежном выражении при достижении норм Евро-6 будет обеспечено в 30 раз, а по грузовым автомобилям и автобусам в 29 раз. Проведенными экспериментальными исследованиями в НАМИ выявлено, что в про- цессе эксплуатации в результате износа шин, тормозных колодок, дисков и дорожного по- лотна формируется повышенное содержание твердых частиц над проезжей частью улицы [6]. В последние годы, несмотря на выпуск в обращение современной автомобильной техники с более высокими экологическими классами, уровни загрязнения воздуха над проезжей частью дорог превышают гигиенические нормативы. Наши измерения показали, что в автомобильных пробках, в плотных транспортных потоках, в тоннелях содержание вредных ве- ществ в воздухе является не только повышенным, но и опасным для жизни и здоровья насе- ления. Так, содержание взвешенных частиц в воздухе при нормативе при движении по ас- фальтированному шоссе за одним легковым автомобилем составляет 5 - 10 мг/м3, за двумя автомобилями - 15-20 мг/м3. При движении грузовых автомобилей в колонне с интервалом 35 м запыленность воздуха на уровне воздухозаборника двигателя для головной машины со- ставила 200 мг/м3, для 6-й - 1000 мг/м3. Установлено также, что максимальная запыленность воздуха на автодороге имеет место на высоте 0,5 - 1,0 м от полотна дороги и снижается в 3 - 10 раз на высоте 2 м и более [3, 6]. Однако проведенными в НАМИ дальнейшими исследованиями выявлено, к сожале- нию, что увеличенный пробег шин обеспечил и изменение размеров шинной пыли с 2,5 - 10 микрон, которые фиксировались при износе шин 30 лет назад, до 0,3 - 1,5 микрон в настоя- щий период времени. Поэтому, как видно из представленных на рисунке 2 данных, следует, что основные размеры твердых частиц в воздухе над проезжей частью дорог в настоящее время находятся в диапазоне от 0,3 до 1 мкм [7]. Рисунок 2. Количество и размеры твердых частиц в наружном воздухе при движении автомобилей в городе (в плотном транспортном потоке) И так, теперь перейдем к анализу работ по созданию «экологически чистых» авто- транспортных средств, которые интенсивно были развернуты после 2000 года в направлении создания автомобилей с комбинированными энергоустановками (КЭУ) и электромобилей. На начальном этапе анализа оценка выбросов СО2 была произведена для двух стадий полного жизненного цикла (ПЖЦ): затраты на получение топлива (либо электроэнергии) и затраты на его эксплуатацию (без учета стадий производства автомобиля и его утилизации) (рисунок 3). Расчетно-экспериментальные исследования показали, что газовый ДВС обеспечивает снижение выброса СО2 на 29% по сравнению с бензиновым ДВС и на 5% по сравнению с ди- зельным двигателем. Использование автомобилей с КЭУ с параллельной схемой позволяет уменьшить выброс СО2 на 44%, а электромобиля - на 63% по сравнению с бензиновым ДВС. Наиболее предпочтительным в настоящее время и наиболее эффективным альтернативным топливом естественно является природный газ метан СН4, имеющий, в отличие от всех нефтяных и синтетических топлив, только один атом углерода и четыре атома водорода [6]. Направление развития электромобилей (ЭМ) считается сегодня наиболее оптимальным на перспективу с точки зрения решения проблемы экологии в крупных мегаполисах (города с населением более 1-2 млн чел.), а также мегарегионов (курортных зон) с учетом все воз- растающего загрязнения атмосферы городов и ужесточающихся требований по снижению выбросов ВВ и парниковых газов (ПГ) СО2. 200 Выброс СО2 , г/км 150 100 50 Бензиновый ДВС Газовый ДВС Дизельный ДВС Бензиновая КЭУ Газовая КЭУ Электромобиль 0 1 2 3 4 5 6 Рисунок 3. Выбросы СО2 от автомобилей с различными энергетическими установками, работающими на различных энергоносителях (только выбросы на этапах ПЖЦ: получение топлива и эксплуатация автомобиля) Анализ преимуществ и недостатков внедрения электромобилей часто рассматривается с такой положительной позиции, что даже с учетом загрязнений от электростанций, как пра- вило, расположенных вне города, ЭМ почти на 80% экологичнее, чем автомобили с ДВС, так как эксплуатация ЭМ практически исключает выделение окиси углерода, оксидов азота, уг- леводородов, оксидов углерода, твердых частиц с канцерогенными свойствами, а также обеспечивает снижение уровня шума на 2-3 децибела по сравнению с автомобилями, имею- щими ДВС. Для объективной оценки были проведены специальные сравнительные исследования экономических затрат на всех стадиях жизненного цикла: (производства, эксплуатации и утилизации) легковых автомобилей с различными силовыми установками (рисунок 4). Рисунок 4. Экономические (энергетические) затраты в полном жизненном цикле автомобилей с различными энергетическими установками на различных энергоносителях Как показывают результаты анализа, наименьший уровень экономических (энергетиче- ских) затрат имеет автомобиль с ДВС, работающим на природном газе, что объясняется относительно дешевым топливом в период эксплуатации при незначительном удорожании ста- дии производства автомобиля. Применение комбинированных энергоустановок приводит к увеличению стоимости ПЖЦ автомобиля на 35-65%, что главным образом связано с увели- чением стоимости производства, обслуживания и ремонта таких автомобилей в процессе эксплуатации [8]. Наиболее высокую стоимость ПЖЦ имеет электромобиль, несмотря на то что затраты на зарядку энергией у него в 3 раза ниже, чем у традиционного легкового автомобиля, одна- ко стоимость производства его в настоящее время достаточно высока и дополнительно необ- ходимо в процессе эксплуатации менять комплект аккумуляторных батарей, т.к. они имеют относительно низкий ресурс и высокую стоимость. Несмотря на это удорожание по стоимости, а значит, и затрат на увеличение энергопо- требления, старатели ускоренного внедрения в массовое производство этих якобы экологи- чески чистых изделий не имеют понятия об остающемся высоком экологическом ущербе, наносимом окружающей среде от экологически не чистых «зеленых шин». Дополнительно к проведенному измерению количества и размеров ТЧ в наружном го- родском воздухе (рисунок 2) были проведены исследования по оценке воздействия продук- тов износа шин и дорожного полотна, входящих в состав твердых частиц в воздухе над про- езжей частью дорог, на водителей и пассажиров в салонах автотранспортных средств в ре- альных условиях эксплуатации путем измерения содержания твердых частиц в салонах ав- томобилей и в наружном воздухе. В частности измерения проводились в салоне легкового автомобиля «Фольксваген Пассат Вариант» с системой микроклимата, оборудованной са- лонным фильтром MahleL A45 (Германия). Сравнительные данные по измерению содержа- ния взвешенных частиц в салоне легкового автомобиля и данные по содержанию взвешен- ных частиц в наружном воздухе представлены на рисунке 5. 70 Количество частиц в м3 воздуха х 106 60 наружный воздух, вечер 50 салон автомобиля вечер 40 салон автомобиля утро 30 20 10 0 0,3 0,5 1 5 10 25 Размер частиц, мкм Рисунок 5. Содержание твердых частиц в наружном воздухе и салоне автомобиля при движении в городских условиях (в плотном транспортном потоке) Таким образом выявлено, что в процессе эксплуатации в результате выделения твердых частиц с отработавшими газами автомобилей, выделения продуктов износа шин, дорожного полотна, фонового загрязнения воздуха и других процессов в воздухе над проезжей частью дорог формируются повышенные концентрации твердых частиц, причем основную их долю в воздухе составляют частицы размером до 1 мкм (см. рисунки 2 и 5). Вследствие отсутствия нормативных требований к эффективности очистки воздуха от твердых частиц в салонах автомобилей, недостаточной тонкости очистки твердых частиц с помощью салонных фильтров, их содержание, особенно размером до 1 мкм, в воздухе сало- нов в реальных условиях эксплуатации практически такое же, как и в наружном воздухе (ри- сунок 5). В результате в плотных транспортных потоках, в автомобильных пробках, тонне- лях, в карьерах и т.д. их содержание в воздухе салонов автотранспортных средств часто пре- вышает гигиенические стандарты РФ (ГОСТ Р 51206-2004). Поэтому весьма рано говорить о создании «экологически чистого автомобиля» и ис- пользовании этого термина. Целесообразно говорить об экологической опасности автомоби- ля и приступить к комплексному нормированию этого показателя, состоящего из трех со- ставляющих экологического ущерба: от отработавших газов и дополнительно от шинной пыли и дорожного покрытия, ввиду их повышенной относительной агрессивности по срав- нению с отработавшими газами автомобилей, а также к разработке серьезных программ по борьбе с мелкодисперсной пылью от износа шин в крупных городах и мегаполисах. Итак, на основании вышеизложенных исследований, возникает необходимость отве- тить на главный вопрос: кто должен в настоящий период компенсировать экологический ущерб, наносимый окружающей среде? И главный вопрос. Кто должен платить за этот ущерб: производитель или владелец транспортного средства, или оба? Естественно, проще этот ущерб учесть в транспортном налоге. На основе комплексного анализа мирового и отечественного опыта по начислению транспортного налога, должно быть учтено главное условие справедливости транспортного налога: кто больше ездит, больше расходует топлива, больше выбрасывает вредных веществ и парниковых газов - СО2 с отработавшими газами, больше изнашивает шины и дорожное полотно, выбрасывая больше весьма опасных твердых частиц, - тот и должен больше пла- тить! Новый транспортный налог может определяться двумя путями по ежегодному расходу топлива: учитываемому при каждой заправке автомобиля на его техталон, дополненный магнит- ной картой. На заправочных станциях без техталона-карты не заправлять. Коэффициенты пересчета литров топлива в налог таможенная служба определит легко сама! справедливее и проще, как задумывалось ранее, если налоговая надбавка учитывается в стоимости топлива.

About the authors

V. K. Azarov

The Central research and development automobile and engine institute NAMI

Email: vadim.azarov@nami.ru
Ph.D.

S. V Gaysin

The Central research and development automobile and engine institute NAMI

V. F. Kutenev

The Central research and development automobile and engine institute NAMI

Dr.Eng., Prof.

A. V. Vasilyev

The Central research and development automobile and engine institute NAMI

References

Supplementary files