Контроль загрязнения воздушной среды, вызванного автотранспортом

Разработка и оценка мероприятий транспортного контроля TCM (Traffic Control Measure) в отношении загрязнения воздуха требует детального изучения механизма распространения выбросов.

Пример:

Концентрация угарного газа (CO) достигает наиболее высоких отметок на перегруженных автодорогах и быстро снижается при удалении от мест с высокой интенсивностью движения транспорта. Изменение концентрации низкоуровневого озона (О₃) по мере удаления от дороги происходит значительно медленнее, чем угарного газа.

В этих условиях выбор эффективных мер по снижению загрязнения воздуха является крайне сложным. Если для снижения концентрации СО достаточно локальных мероприятий ТСМ, то для снижения концентрации озона нужны мероприятия более широкого радиуса действия.

3. Меры по снижению загрязнения воздуха выбросами автотранспорта

В таких развитых странах как США и Англия оценка влияния на окружающую среду является составной частью дорожного планирования и проектирования.

Однако многие быстро развивающиеся страны, такие как Индия, например, страдают от экологических проблем транспортного характера.

Эти проблемы возникают из-за быстрого роста населения и связанных с ним потребностей в транспортировке. Транспортные потоки значительно возрастают, возрастает протяженность маршрутов и транспортная перегруженность на них, усиливая влияние на окружающую среду.

Все меры по снижению уровня загрязнения воздуха выбросами автотранспорта могут быть разделены на технические меры и организационные меры.

Технические меры

эффективное использование топлива (уменьшение массы автомобиля, уменьшение мощности двигателя, использование неполноприводных автомобилей для городских условий, улучшение аэродинамики, электронное зажигание, электронный контроль впрыска),

использование систем очистки выхлопных газов (каталитические конвертеры),

эффективная очистка топлива (очистка от серных примесей, использование высокооктановых бензинов без содержания свинца),

новые эффективные двигатели

- дизельные

- газовые

- электрические

новые виды топлива: метанол, пропанол.

Организационные меры

улучшение дорожного покрытия для обеспечения плавного движения транспортного потока,

повышение доли общественного транспорта в городских пассажирских перевозках,

эффективное планирование транспортных потоков,

использование HOV - полосы для движения транспортных средств с числом пассажиров не менее 3-х,

ужесточение соблюдения существующих стандартов на загрязнение окружающей среды и разработка новых.

Определение:

Октановое число - условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив, применяемых в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Октановое число численно равно процентному (по объему) содержанию изооктана (О.ч. которого принято 100%) в его смеси с н-гептаном (О.ч. равно 0%), эквивалентной по детонационной стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания. Октановое число наиболее распространенных отечественных марок бензинов 76-89, авиабензинов 91-95.

[Советский энциклопедический словарь, Москва 1989]

Октановое число - соотношение, описывающее антидетонационные свойства бензина.

Определение:

Детонация моторных топлив - чрезмерно быстрое сгорание топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя из-за накопления органических пероксидов в топливной смеси. Вызывает характерный металлический “стук”, вибрацию, перегрев двигателя.

[Советский энциклопедический словарь, Москва 1989]

Детонация повреждает двигатель и снижает его эффективность. Существуют два способа борьбы с детонацией:

добавление в топливо антидетонаторов.

увеличение содержания в топливе углеводородных изомеров, отличающихся более плавным сгоранием - увеличение октанового числа

Традиционно в качестве антидетонатора используются соединения свинца (тетраэтил свинца). Современное законодательство запрещает использование бензина с содержанием свинца из-за его высокой токсичности в автомобильных выхлопах.

Топливо с октановым числом 95 и выше не требует применения специальных антидетонаторных добавок. Такой бензин носит название lead-free (без содержания свинца) и рекомендован к применению во всех развитых странах. Существуют также марки бензина с октановыми числами 96, 98, 99 и 100.

3.1 Технические меры

После появления на рынке поступает нового или улучшенного технического устройства для снижения эмиссии транспортного средства, требуется определенное время для того чтобы стали заметны результаты нововведения. В течение этого времени новое оборудование заменяется старым на значительной части автомобилей. Так или иначе, общий уровень эмиссии постепенно снижается по мере того, как распространяются все новые и новые технические усовершенствования.

3.1.1 Бензиновый (карбюраторный) двигатель

Улучшение экологических характеристик бензинового двигателя, прежде всего, связано с уменьшением основных газов эмиссии: углеводородов СН, угарного газа СО и окислов азота NOx .

Для комплексной системы контроля эмиссии на автомобиле должны использоваться:

соответствующее топливо

система электронного контроля зажигания

каталитический конвертер

бортовая диагностическая система

При этом подразумевается правильное содержание и эксплуатация автомобиля. В противном случае использование технических средств не будет иметь результата.

Справка: каталитический конвертер

Каталитический конвертер - устройство выхлопной системы автомобиля преобразующее токсичные газы выхлопов в безвредные путем химической реакции.

Каталитический конвертер уменьшает выброс углеводородов СН, угарного газа СО и/или окислов азота NОх, окисляя их до сравнительно безопасных углекислого газа СО2, воды Н2О и оксида азота NO2.

При использовании каталитического конвертера необходимо использовать бензин без содержания свинца Pb для предотвращения засорения катализатора свинцом (С октановым числом не ниже АИ-95).

При использовании таких систем количество вредных выбросов минимально. Иногда при плохом качестве окружающего воздуха выхлопные оказываются газы даже чище.

Однако, даже оснащенный такими комплексными системами, автомобиль имеет очень высокую эмиссию в первые минуты поездки, когда двигатель еще не прогрелся до рабочей температуры и катализатор не функционирует. В настоящее время, усилия технологов сконцентрированы именно на этом отрезке цикла движения автомобиля. Но уже сегодня возможно достичь прогрева до рабочей температуры для начала действия катализатора менее чем через 500 метров пути, при старте автомобиля с холодным двигателем.

Система контроля эмиссии работает с максимальным эффектом при равномерном движении автомобиля. В этом случае, когда выброс углеводородов и окислов азота незначителен, эмиссия увеличивается при многоразовом ускорении и торможении.

Важное направление исследований для снижения эмиссии - улучшение качества топлива. Бензин с улучшенными характеристиками состава эмиссии ожидается уже в ближайшие несколько лет. Пониженное содержание серы S уменьшит неприятный запах сульфида серы H2S, который характерен для каталитических систем.

Таким образом, для достижения полного контроля над эмиссией бензинового двигателя в странах Европы считается необходимым сочетание между каталитическими системами контроля и качеством топлива.

3.1.2 Дизельный двигатель

Дизельный двигатель - наиболее распространенная альтернатива бензинового двигателя. Эффективность использования топлива в нем улучшена с 30% (30е годы) до 45% (сегодня).

Сравнительная эффективность карбюраторных двигателей сегодня немногим более 30%.

Улучшение достигалось в четыре последовательных этапа:

прямое впрыскивание

турбокомпрессор

комбинация турбокомпрессора с теплообменником промежуточного охлаждения

турбодвигатель

Справка: турбокомпрессор

Турбокомпрессор - устройство, позволяющее повысить мощность двигателя с минимальным увеличением массы. Турбокомпрессор забирает тепловую энергию выхлопных газов и использует ее для сжатия воздушно-топливной смеси, существенно увеличивая мощность двигателя.

За последние 10 лет эмиссия окислов азота и твердых составляющих от работы дизельного двигателя была уменьшена примерно на 50%. Понижая температуру вспышки, уровень выбросов окислов азота может быть сокращен еще больше.

Так же, как и бензин, дизельное топливо нуждается в лучшей очистке. Стандартное дизельное топливо содержит слишком высокий уровень ароматических углеводородов и серы. Однако в последнее время продолжается работа по созданию “экологического дизельного топлива”, в котором содержание серы уже уменьшено с 0.1-0.3% до 0.001%, т.е. в 1000 раз.

При использовании топлива с низким содержанием серы становится возможным использовать окисляющий каталитический конвертер совместно с дизельными двигателями. При этом содержание углеводородов и угарного газа в эмиссии уменьшается до уровня, достигнутого карбюраторными двигателями.

3.1.3 Альтернативные виды энергии

Развитие автомобильных двигателей на обычном топливе в течение последних десяти лет показывает, что опасность прямого воздействия токсичных выбросов на окружающую среду возможно сдерживать в приемлемых пределах. Однако уровень выбросов углекислого газа СО2 создает гораздо более сложную для решения проблему.

Снижение вредного воздействия транспортного движения возможно при использовании альтернативных видов энергии.

Применение альтернативных видов энергии целесообразно в следующих случаях:

при острой необходимости улучшить качества воздуха в определенной зоне городской среды,

для снижения накопления в атмосфере избыточного количества СО2. Это особенно актуально и для отдельных городов, расположенных в котловинах, не продуваемых ветрами,

при необходимости замены дорогого топлива на более дешевые и экологичный виды энергии. Например, максимальное использование для пассажирских перевозок электротранспорта (трамваи, троллейбусы, метро).

Альтернативные виды топлива

Для крупных городов, кроме электроэнергии, интерес вызывают альтернативные виды топлива: этанол, метанол и природный газ, особенно в районах с плохим качеством воздуха.

Теоретически рассматривается использование в качестве горючего водород Н2, как самый экологичный вид топлива.

Почему? - При сжигании водорода образуется только вода. 2Н₂+О₂=2Н₂О

В случае практического использования новых видов топлива возникают серьезные проблемы:

затраты на производство нового топлива в целом значительно превышают затраты на виды топлива, получаемые из нефти

Пример:

Водород в настоящее время производится в основном методом электролиза (разложение воды под действием постоянного тока), что требует высоких энергозатрат. Для того чтобы водород можно было практически использовать, его необходимо сжать до жидкой фазы, что предполагает дополнительные затраты энергии.

более низкая энергетическая ценность нового топлива по сравнению с нефтью. Это означает потребность в больших объемах топлива, что вызывает увеличение массы транспортного средства и в конечном итоге - повышение расхода топлива. Так же из-за больших объемов, занимаемых баллонами, трудно использовать газообразные виды топлива для автомобилей.

Пример:

Теплотворная способность жидких видов топлива (энергетическая ценность)

Однако, проблемы использования новых видов топлива скорее экономические, чем технологические. Технически новые двигатели уже существуют и могут быть запущены в массовое производство при появлении нового топлива при доступном уровне цен. Однако введение нового топлива вызовет необходимость реорганизации системы хранения и транспортировки топлива.

Основная из причин возможного использования альтернативного топлива - понижение выбросов СО2 в атмосферу. Однако для конечной оценки влияния топлива на загрязнение атмосферы нужно просчитать всю цепочку, которую проходит топливо, от добычи сырья до потребления. Возможно, что в этом случае отрицательные результаты влияния нового топлива на экологию не окажутся меньше, чем у традиционного топлива.

3.1.4 Электротранспорт

Справка: В Европе (Евросоюзе) 75% в городских пассажирских перевозках приходится на личный автотранспорт, 1.5% - на велосипедный и только 1% на электротранспорт (трамваи, метро).

В настоящее время легкий рельсовый электротранспорт получает новое развитие во многих городах мира.

Во времена, когда баланс между использованием легкового автомобиля и общественного транспорта становится вопросом оживленных дискуссий о состоянии окружающей среды (потребление энергии и вредные выбросы), системы электротранспорта предлагают экономичное, популярное среди населения, привлекательное с точки зрения окружающей среды решение городских транспортных проблем.

В европейских городах есть хорошие примеры систем рельсового электротранспорта, функционирующих как на городских улицах, так и за их пределами: Амстердам, Гренобль и Гетебург, а также некоторые североамериканские города, например Ванкувер.

В Великобритании, волна интереса к рельсовому транспорту возникла в середине 80-х годов и примерами современной системы электротранспорта стали Манчестерское метро (открыто в 1992) и Шеффилдский Супертрам (1994).

В 1994 г были сданы в эксплуатацию еще две схемы электротранспорта: 27 километровая сеть трамвайных линий в Кройдоне (в составе южной трамвайной сети Лондона) и Западное Мидландское метро (19 км легкий рельсовый маршрут из Бирмингема до Вулверхамптона).

Общественный электротранспорт становится очень привлекательным не только из-за своей экологичности, но и за счет обеспечения пассажиров точной сервисной информацией в реальном времени.

Трамвайные станции оборудуются электронными информационными дисплеями, телефонами и видеокамерами обеспечения безопасности.

В некоторых городах, таких как Гетебург, Амстердам, Париж и Цюрих, трамваи являются частью крупномасштабной транспортной системы управления и системы контроля городского транспортного движения, что позволяет регулировать транспортные потоки и, в целом, снижать вредное воздействие транспортного движения на окружающую среду, органично дополняясь пешеходным и велосипедным движением.

Возможно обеспечивать совместную работу систем легкого рельсового и более тяжелого рельсового транспорта метро, как показывают примеры Амстердама и Осло.

В Амстердаме 17 хорошо организованных легких трамвайных маршрутов эксплуатируются на 130 км двойного пути, одновременно с маршрутом тяжелого трамвая Sneltram, открытого в 1990 году как часть плана городских властей снизить на 50% автодорожное транспортное движение. Sneltram использует, в свою очередь, тоннели метро.

В соответствии с оценкой затрат городских систем электротранспорта, опубликованной Лабораторией Транспортных Исследований Великобритании в 1990 году, лучшими европейскими примерами являются трамвайные линии Нанта, открытые в 1985 году и Гренобля, открытые в 1987 году. Системы метро Лиона, Марселя и Лилля имеют также хороший уровень развития.

Огромные затраты на компенсационные выплаты владельцам земли в городских центрах является основной причиной, которая заставляет прокладывать участки систем легкого рельсового транспорта под землей.

Поднятые над поверхностью земли на эстакады рельсовые пути, как например, лондонский легкий рельсовый Docklands стоят примерно половину от стоимости строительства подземных путей и в два-три раза дороже, чем на поверхности.

Манчестерский Metrоlink имеет участок протяженностью 28 км совмещенный с Британской железнодорожной пригородной линией и 3 км его нового пути проходит по улицам городского центра.

Огромные усилия были предприняты для развития транспортных информационных систем в Европе под эгидой Европейской Комиссии. Программа DRIVE II (Dedicated Roadside Infrustructure for Vehicle Savety - Придорожная Инфраструктура для Безопасности Транспортных средств), нацелена на развитие современной транспортной телематики. Одним из аспектов этой программы является подпрограмма PROMPT (Priority and Information in Public Transport - Приоритетность и Информация на Общественном Транспорте), которая нацелена на технологии, отдающие приоритет общественному транспорту.

Одной из таких технологий является следующая:

Общественному транспорту отдается приоритет при разъездах на пересечениях путем применения устройств на основе ультракрасного излучения в транспортных средствах и индуцированных контуров в ведущем вагоне трамвая для переключения сигналов светофоров. Системы, подобные этой работают быстрее, надежнее и пунктуальнее, позволяя общественному транспорту конкурировать с легковым автомобилем и повысить статус электротранспорта как части экономичной, интегрированной транспортной сети, снижая стресс на окружающую среду.

Электромобили

Определение

Электромобиль - автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями, которые питаются от аккумуляторных батарей.

Электромобили могут стать наиболее чистым альтернативным видом дорожного транспорта, если основная задача - улучшение качества воздуха, снижение перегруженности дорог или уменьшение шума.

Главная проблема - поиск эффективного способа запасать энергию. Огромные усилия прилагаются для разработки эффективных батарей, которые бы имели приемлемый вес. Аккумуляторы лучших моделей рассчитаны на 160-240 км пути, после чего должны быть перезаряжены. Перезарядка требует значительного времени, порядка 5-12 часов. Ведутся эксперименты по применению в качестве аккумуляторных батарей конденсаторов большой емкости. Конденсаторы имеют, по крайней мере, два преимущества перед обычными аккумуляторами: практически мгновенная зарядка и малый вес.

На сегодняшний день произведено множество прототипов электромобилей, но ни один из них не был выпущен в массовое производство. Коммерческий интерес к ним будет ограничен до тех пор, пока развитие двигателей внутреннего сгорания приносит результаты в уменьшении их эмиссии и пока ископаемые виды топлива доступны по цене.

Но даже если электротранспорт имеет нулевую эмиссию при эксплуатации, энергия для их зарядки и эксплуатации производится на электростанциях, большинство из которых небезопасны для окружающей среды. На долю электростанций в загрязнении воздуха приходится почти полностью остальные 49%.

3.1.5 Гибридные комбинации

Пример

Историческая справка:

В 1970х годах произошло резкое повышение мировых цен на все виды топлива. Ситуация была настолько серьезной, что повлекла за собой экономическую депрессию. Все Западные страны искали пути выхода из энергетического кризиса. Франция развивала ядерную энергетику, тогда как многие другие страны планировали вновь вернуться к использованию минерального угля, огромные запасы которого находятся в США, Австралии и Южной Америке. Президент США Джимми Картер запустил программу по использованию синтетического топлива, получаемого при перегонке угля и горючих сланцев. Эти планы требовали огромных затрат и вели к интенсивному загрязнению атмосферы.

К концу 80-х экономия топлива уже не была больше такой актуальной задачей, как в 70-е годы.

Большие автомобили, джипы и полноприводные машины вновь стали популярны. Национальные требования эффективности использования горючего для новых автомобилей стали менее строгими.

Но при этом основные производители автомобилей наряду с мощными моделями выпустили и прототипы высокоэффективных автомашин, созданных с учетом экологического аспекта. Они использовали следующие известные технологии:

турбокомпрессор, использующий избыточную энергию для повышения производительности двигателя

усовершенствованные дизельные двигатели

обтекаемый аэродинамический дизайн корпуса

широкое использование различных полимеров и легких материалов для уменьшения массы автомобиля

Некоторые из этих прототипов достигли эффективности использование топлива 2.4 литра на 100 км пути при движении по автомагистрали (т.е. с равномерной скоростью). Эти модели так и не стали популярными из-за ориентации рынка в сторону мощных полноприводных автомашин с большим салоном.

Однако, рост плотности транспортного потока и общее увеличение количества транспортных средств в городах, активизация движения в защиту окружающей среды и общественное мнение наращивают спрос на рынке на экономичные и экологичные транспортные средства.

Усилий только автомобилестроительной отрасли недостаточно и большую роль для снижения воздействия транспорта играют меры по управлению движением с помощью политических и экономических мер воздействия.

3.2.1 Управление движением

Существуют два основных способа организовать равномерное транспортное движение с помощью политико-экономических мер:

Система дорожных пошлин. Эта система предполагает пропускную схему с делением на зоны с дифференцированной оплатой в зависимости от времени и маршрута поездок. В час пик и в центре города размер дорожной пошлины устанавливается выше, чем в межпиковые часы. Естественное желание пользователя сэкономить заставляет его перенести поездку с пикового времени на непиковое, а то и вовсе отказаться от поездки на личном автомобиле и воспользоваться общественным транспортом. Загруженность дороги становится более равномерной по времени суток и, таким образом, достигается регулирование перегруженности дорог и снижение концентрации вредных выбросов.

Система HOV (High occupancy vehicles - транспортные средства с повышенной загрузкой) Этот метод означает, что преимущество в движении получает автомобиль, имеющий не менее двух пассажиров + водитель.

Обычно для движения автомобилей HOV выделяется специальные полосы, остающиеся относительно свободными даже в часы пик.

Пример

В штате Луизиана (США) был проведен эксперимент по использованию системы HOV.

Результаты показали, как изменяется эмиссия:

Таблица 2. Расчеты по уменьшению выбросов в результате применения HOV (Louisiana, USA)

Из-за предоставления транспортным средствам HOV выделенной полосы, средняя скорость на других полосах упала. Это объясняет увеличение выброса углеводородов и уменьшение выброса окислов азота (см Диаграмму 3).

Таким образом, при дорожном планировании и управлении необходимо учитывать все факторы, влияющие на окружающую среду. В противном случае меры, направленные на улучшение ситуации, могут значительно усугубить ее.

Заключение