Экотранспорт – механизмы и последствия глобального негативного воздействия транспорта на окружающую среду и общество
Рубрика "ЭкоГрада" - Наука за электротансорт. Курс популярных лекций от Сергея Шелмакова
Как было показано в предыдущей статье, транспорт наряду с огромным положительным влиянием на качество жизни людей имеет и «обратную сторону медали», заключающуюся в негативном влиянии на окружающую среду и здоровье населения, социальные и экономические процессы в современном обществе. В данной статье рассмотрим подробнее глобальные аспекты этого влияния.
Глобальное воздействие транспорта на окружающую среду
Транспортная деятельность имеет три глобальных экологических аспекта, заслуживающих особого внимания.
- Транспорт ответственен за выбросы поглощающих электромагнитное излучение соединений (так называемых «парниковых газов») в тропосферу, где они задерживают тепловое излучение, идущее от земной поверхности в космос. Этот процесс приводит к увеличению средней глобальной температуры нижней тропосферы и, следовательно, к изменению климата Земли.
- Транспортная деятельность сопровождается выбросами соединений, разрушающих озоновый слой в стратосфере и, таким образом, нарушает «защитный» процесс поглощения атмосферой ультрафиолетового спектра солнечного излучения.
- Транспорт является одним из источников загрязнения окружающей среды стойкими органическими загрязнителями (СОЗ), которые вызывают различные серьёзные нарушения функционирования живых организмов.
Воздействие транспорта на глобальный климат
К парниковым газам (ПГ) относятся соединения, способные поглощать инфракрасный (тепловой) спектр электромагнитного излучения.
Парниковые газы вносят свой вклад в глобальное потепление с различной степенью в зависимости от их способности поглощать тепло и продолжительности «жизни» в атмосфере. Потенциал глобального потепления (ПГП) описывает совокупное влияние парникового газа на изменение климата за определённый период времени (обычно 100 лет) по сравнению с углекислым газом (СО2), для которого ПГП=1. Например, потенциал глобального потепления метана (СН4) − 28 означает, что воздействие на глобальное потепление 1 кг метана в 28 раз сильнее, чем 1 кг СО2. ПГП закиси азота (N2О) составляет 265, гексафторида серы (SF6) – 23500.
В последнее время появились исследования о влиянии на климат т.н. «чёрного» и «бурого» углерода, выбросы которых частично связаны с деятельностью транспорта. ПГП «чёрного» и «бурого» углерода, по разным оценкам, лежит в диапазоне от ‒69 до +1900, т.е. в настоящее время нет однозначного мнения о том, «охлаждают» атмосферу эти вещества или «нагревают».
Прочие продукты сгорания транспортных топлив, такие как углерода оксид (СО − ПГП≈1,8…5,3), углеводороды (СН − ПГП≈4,5…8,8), оксиды азота (NOx − ПГП≈–159…+1,6), также обладают определённым парниковым потенциалом, однако их количество несравненно меньше, чем СО2.
Кроме того, в транспортном секторе используются вещества, разрушающие озоновый слой Земли, которые также могут обладать очень высоким ПГП (см. табл. 1).
Углерода диоксид (углекислый газ) СО2 является продуктом полного сгорания углеводородных топлив. Химическая реакция полного сгорания углеводородов упрощённо может быть выражена стехиометрическим уравнением
C_n H_m+(n+m/4) O_2→〖nCO〗_2+m/2 H_2 O.
Из данного уравнения следует, что выбросы СО2 определяются, в основном, двумя факторами:
- количеством израсходованного топлива и
- содержанием в топливе углерода.
В отличие от других загрязняющих веществ СО2 невозможно удалить из отработавших газов при помощи приемлемых для транспортного применения технологий очистки. Поэтому сокращение выбросов СО2 на транспорте представляет сложную задачу, приоритетность решения которой в последнее время постоянно увеличивается.
Концентрации основного парникового газа, углерода диоксида, беспрецедентно повышаются в последние два столетия вследствие антропогенного воздействия (рис. 1 и 2).
Рис. 1. Изменение концентрации СО2 за последние 800 тысяч лет
Рис. 2. Глобальные ежегодные выбросы парниковых газов
Транспорт непосредственно выбрасывает около 16% антропогенных ПГ во всём мире. Примерно 1,9% всех антропогенных ПГ выбрасывает в атмосферу авиация. На долю автомобильного транспорта приходится около 11,9%, другие виды транспорта – морской, железнодорожный и прочие – производят в сумме 2,4% (рис. 3).
Рис. 3. Глобальные выбросы парниковых газов по секторам в 2016 г
Эти значения следует увеличить ещё примерно на 25% при рассмотрении косвенных выбросов ПГ: на стадии производства топлив, транспортных средств и объектов инфраструктуры, а также на стадии ремонта и утилизации транспортных средств и объектов инфраструктуры.
Динамика выбросов ПГ в транспортном секторе (рис. 4) и доля «транспортных» выбросов ПГ от всех «энергетических» выбросов ПГ свидетельствует о постоянном увеличении значимости транспортного сектора в климатической проблематике.
Средневзвешенные по объёмам продаж легковых автомобилей выбросы СО2 за последние годы практически не снижаются (рис. 5). Технологические улучшения (такие как наддувные двигатели, гибриды, электромобили и т.п.) «съедаются» увеличением массы и размерности автомобилей, увеличением мощности двигателей.
Рис. 4. Выбросы парниковых газов в транспортном секторе
Рис. 5. Средневзвешенные пробеговые выбросы СО2 легковых автомобилей
Указанные тенденции позволяют говорить о существенной и постоянно увеличивающейся роли транспорта в процессе изменения климата, что делает задачу «декарбонизации» транспорта крайне актуальной и важной.
Воздействие транспорта на истощение стратосферного озонового слоя
Озоновый слой расположен в нижней стратосфере на высоте от 10 до 50 км от уровня моря. Озоновый слой задерживает более 99% ультрафиолетового спектра солнечного излучения, поэтому является необходимым условием существования жизни на Земле.
Воздействие транспорта на истощение стратосферного озонового слоя связывается, главным образом, с использованием озоноразрушающих веществ (ОРВ) в качестве хладагента в кондиционерах и рефрижераторах.
Кроме того, ОРВ используются при производстве вспененных пластиков и электронных устройств, входящих в конструкцию транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры, а также в качестве аэрозольных пропеллентов, растворителей, огнегасителей, стерилянтов в смежных отраслях промышленности.
К озоноразрушающим веществам относятся органические химические соединения, содержащие хлор или бром (рис. 6). Изначально синтезированные в качестве хладагентов, они получили широкое применение и в других сферах человеческой деятельности благодаря своей химической инертности. Однако именно эта инертность и обеспечивает очень большое время существования этих соединений в атмосфере, обуславливая их глобальное распространение и высокий потенциал озоноразрушающей и «парниковой» способности.
Рис. 6. Схема механизма каталитического разрушения озонового слоя
Способность ОРВ разрушать озоновый слой характеризует величина, называемая «озоноразрушающая способность» (ОРС). За единицу ОРС была принята озоноразрушающая способность хладагента CFC-11 («фреон-11соединения с высокой озоноразрушающей активностью (ОРС > 0,1) ‒ это хлорфторуглероды (ХФУ) R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503) и бромфторуглероды (БФУ) R12B1, R13B1 и др.;
- соединения с низкой озоноразрушающей активностью (ОРС < 0,1) ‒ это гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 и др., в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с ХФУ, и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя;
- соединения, не содержащие атомов хлора ‒ фторуглероды ФУ (FC), гидрофторуглероды ГФУ (HFC), а также природные хладагенты (аммиак, СО2, вода, углеводороды), считаются полностью озонобезопасными (ОРС=0). Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R116, R600 (бутан), R717 (аммиак) и др.
Основные экологические характеристики некоторых галогенсодержащих углеводородов, в том числе использующихся в сфере транспорта, представлены в табл. 1.
Как видно из таблицы, в настоящее время разработаны и начинают применяться вещества с практически нулевым ПГП и ОРС.
Транспорт ответственен примерно за 5…10% глобальных выбросов ОРВ. Кроме того, существуют процессы, приводящие к изменению концентрации озона в стратосфере и тропосфере, связанные с выбросами оксидов азота и углеводородов, в которых транспорт также принимает участие. Наземный транспорт, выбрасывая оксиды азота и углеводороды, участвует в процессе формирования фотохимического смога, одним их компонентов которого является т.н. «приземный» озон. Выбросы авиалайнеров оказывают на атмосферный озон разнонаправленное действие: на больших высотах они его разлагают, на малых высотах – образуют. «Приземный» или тропосферный озон практически никак не влияет на поглощение ультрафиолетового спектра солнечного света, т.е. не выполняет функции защитного слоя атмосферы, однако является крайне токсичным веществом.
Таблица 1– Основные экологические характеристики некоторых хладагентов
| Номер хладагента | Префикс, обозначающий состав | Химическое наименование (торговая марка) | Время «жизни» в атмосфере, лет | ОРС | ПГП100 |
| R-11 | CFC | Трихлорфторметан | 45 | 1 | 4660 |
| R-13B1 | BFC (галон) | Трифторбромметан | 65 | 10 | 6290 |
| R-22 | HCFC | Хлордифторметан | 11,9 | 0,055 | 1760 |
| R-125 | HFC | Пентафторэтан | 28,2 | 0 | 3170 |
| R-134а | HFC | 1,1,1,2-Тетрафторэтан | 13,4 | 0 | 1300 |
| R-141b | HCFC | 1,1,1-фтордихлорэтан | 9,2 | 0,11 | 782 |
| R-143а | HFC | 1,1,1-Трифторэтан | 47,1 | 0 | 4800 |
| R-410A | Смесь HFC R-32/125 (50%/50%) | Puron, EcoFluor R410, Genetron R410A, AZ-20 | н.д. | 0 | 1890 |
| R-1234yf | HFO | 1,3,3,3-тетрафторпропен, Solstice™ 1234yf (Honeywell), Opteonyf (Du Pont) | 10,5 дней | 0 | 4 |
| R-1233zd(E) | HCFO | 1-хлор-3,3,3-трифторпропен, Solstice™ 1233zd(E), Solstice® LBA (Honeywell) | 26 дней | 0 | 1 |
| R-290 | HC | Пропан | 7 дней | 0 | 20 |
| R-600 | HC | Бутан | 7 дней | 0 | 0 |
| R-717 | Неорганич. | Аммиак | н.д. | 0 | 0 |
| R-744 | Неорганич. | Углерода диоксид (углекислый газ) | н.д. | 0 | 1 |
Благодаря принятию в 1985 году Венской конвенции и разработанного в её развитие в 1989 году Монтреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, выбросы ХФУ и БФУ к концу ХХ века были радикально снижены (рис. 7). Однако по данным НАСА, в 2000 году среднегодовая площадь т.н. «озоновой дыры» над Антарктидой составила 24,8 млн кв. км, в 2015 году — 25,6 млн кв. км, в 2020 — 23,5 млн кв. км. Это говорит о том, что рассматриваемый процесс весьма инерционный, и говорить об окончательном решении данной проблемы ещё рано.
Рис. 7. Мировое производство главных хлорфторуглеродов (тонн в год)
На транспорте в настоящее время применяются в основном ГХФУ, обладающие низкой ОРС, однако количество климатического оборудования, используемого на транспорте, увеличилось на порядки. Поэтому задача внедрения хладагентов следующего поколения остаётся актуальной.
Вклад транспорта в загрязнение окружающей среды стойкими органическими загрязнителями
Рис. 8. Последствия поражения организма человека диоксинами
Биоаккумуляцией называется процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из окружающей среды и/или из пищи. Результатом биоаккумуляции являются пагубные последствия как для самого организма (достижение поражающей концентрации в критических тканях), так и для организмов, использующих данный биологический вид в качестве пищи.
Наибольшей способностью к биоаккумуляции обладают жирорастворимые (липофильные) вещества, медленно метаболизирующие в организме. Жировая ткань, как правило, основное место длительного депонирования СОЗ. Эти вещества могут также передаваться потомству, у птиц и рыб – с содержимым желточного мешка, у млекопитающих – с молоком кормящей матери. При этом у потомства возможно развитие эффектов, не проявляющихся у родителей.
СОЗ могут перемещаться по пищевым цепям. Это перемещение может сопровождаться увеличением концентрации токсиканта в тканях каждого последующего организма – звена пищевой цепи. Этот феномен называется биоконцентрацией (или биомагнификацией).
Коэффициент накопления неразлагающихся ядов в большинстве случаев составляет около 10 на каждую ступень пищевой цепи. К тому же накопление ядов в пищевых цепях нередко усиливается из-за меньшей быстроты реакции и ограниченной подвижности животных, несущих в себе яд, так как сильнее отравленные особи легче становятся добычей хищников, чем все остальные. Например, вследствие этого эффекта в пищевой цепи водоёма наиболее высокое содержание ядовитых веществ отмечается у хищных рыб.
Оценка суммарной токсичности диоксиноподобных соединений производится при помощи показателя «эквивалент токсичности» (TEQ), который представляет собой взвешенную сумму всех рассматриваемых соединений. В качестве коэффициентов весомости в этой сумме используют оценки токсичности тех или иных соединений относительно 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диоксина (2,3,7,8-ТХДД), признанного Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) наиболее токсичным. Правила определения TEQ и коэффициенты весомости регламентированы ВОЗ в 1998 году.
Считается, что для образования диоксиноподобных веществ необходимо сочетание трёх факторов: наличия циклических углеводородов, атомов хлора и высокой (порядка 200…450°С) температуры. В двигателях внутреннего сгорания реализуются все эти факторы: циклические углеводороды поступают с топливом, атомы хлора – с антинагарными присадками к этилированному[4] TEQ-эквивалента на километр пробега (пгTEQ/км), для автомобилей, использующих неэтилированный бензин – 1,6 пгTEQ/км, а для автомобилей, использующих дизельное топливо – 182 пгTEQ/км.
Сжигание шин сопровождается выделением в атмосферу диоксиноподобных соединений в количестве 0,281 нанограмм TEQ-эквивалента на килограмм шин (нгTEQ/кг)Этап технического обслуживания, ремонта и сервиса очень сложен для рассмотрения вследствие фрагментации этих видов бизнеса. Поэтому в ряде исследований этот этап либо учитывается упрощённо, либо игнорируется. Кроме того, практически никогда не учитывается этап строительства заводов, вследствие сложности количественной оценки энергозатрат и выбросов, а также неопределённости при задании предполагаемого срока службы этих заводов.
Таблица 2– Жизненный цикл транспортных средств
| Основные этапы | Состав этапа |
| Производство топлива (энергии) | Добыча сырья; транспортировка сырья; строительство перерабатывающего завода; технологический процесс производства топлива; распределение топлива; заправка транспортных средств. |
| Производство транспортных средств | Добыча сырья; транспортировка сырья; переработка сырья; строительство завода; производство комплектующих; транспортировка комплектующих, сборка, дистрибуция транспортных средств, утилизация/рециклизация/захоронение отходов. |
| Эксплуатация транспортных средств | Пробеговые (удельные) выбросы с учётом особенностей эксплуатации, возраста и т.д. |
| Техобслуживание, ремонт и сервис транспортных средств | Производство комплектующих; распределение; строительство инфраструктуры, техобслуживание. |
| Рециклинг / утилизация / захоронение транспортных средств | Сбор вышедших из эксплуатации транспортных средств, их разборка, сортировка запчастей и материалов, рециклинг / утилизация / захоронение материалов. |
Стадия производства транспортных средств является наименее документированной из трёх, обычно принимаемых во внимание (производство топлива, производство транспортных средств, эксплуатация транспортных средств). Частично, это является следствием сложности данного процесса, когда стадии добычи и переработки полезных ископаемых удалены от производителей комплектующих и сборочных производств. Конкуренция среди производителей транспортных средств также способствует недостатку информации в рассматриваемой области, т.к. эта информация может составлять коммерческую тайну.
Все перечисленные стадии включают в себя процессы транспортировки материалов или изделий, которые также необходимо учитывать при оценке ЖЦ транспортных средств.
Для оценки ЖЦ большое значение имеют методы генерирования электроэнергии. В исследованиях, посвящённых оценке ЖЦ, обычно используют понятие «состав генерации» (англ. generatingmix). Это понятие подразумевает расчёт доли различных источников выработки (генерации) электроэнергии (ГЭС, ТЭС, АЭС, ветряные, солнечные и т.д.) в стране или регионе, для условий которых проводится исследование.
Исследования по оценке ЖЦ таких сложных изделий, как транспортные средства, базируются на большом количестве статистической информации, получаемой из различных источников, что вносит значительную долю неопределённости в получаемые результаты.
В имеющихся в настоящее время исследованиях оценки ЖЦ транспортных средств приводятся данные о воздействиях на окружающую среду глобального характера, не учитывающие распределение этих воздействий во времени и пространстве. Региональные и локальные проявления этих воздействий также не рассматриваются.
Результаты оценки ЖЦ транспортных средств сильно зависят от национальных особенностей энергетики и технологий производства.
Тем не менее, методология оценки ЖЦ продукции является универсальным инструментом, позволяющим получить наиболее объективную оценку имеющихся альтернатив.
[2] Диоксины и фураны: полихлоридные дибензопарадиоксины (ПХДД) и полихлоридные дибензофураны (ПХДФ) являются трициклическими ароматическими соединениями, образуемыми двумя бензольными кольцами, объединёнными двумя атомами кислорода в ПХДД и одним атомом кислорода в ПХДФ, атомы водорода в которых могут заменяться атомами хлора, количество которых не превышает восьми.
[4] Пикограмм ‒ 10−12 грамма (одна триллионная часть грамма).
[5] Нанограмм ‒ 10−9 грамма (одна миллиардная часть грамма).
Шелмаков Сергей Вячеславович
канд. техн. наук, доцент, МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр. 64, email: shelwood@yandex.ru
УДК 656.13:504
- Подробности
- Категория: Наука
Комментариев нет:
Отправить комментарий