Как технологии снижают вредное воздействие городского транспорта на экологию

Альтернативные виды топлива

Природный газ (компримированный и сжиженный)

Около 23 миллионов автомобилей по всему миру работают на природном газе (более 175 тысяч автомобилей в США)[1]. Транспортные средства, работающие на природном газе (ТС на КПГ), являются хорошим выбором для автопарков с большим пробегом и централизованным топливообеспечением, поскольку они могут обеспечить достаточную дальность поездок в некотором регионе с наличием автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС). Для транспортных средств, которые путешествуют на большие расстояния, лучше сжиженный природный газ (СПГ), который имеет большую плотность энергии, чем КПГ, поэтому запас хода на нем более сравним с обычным топливом.

КПГ и СПГ считаются альтернативными видами топлива в США в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Мощность, ускорение и крейсерская скорость автомобилей на природном газе сопоставимы с аналогичными показателями транспортных средств, работающих на обычном топливе.

Научные данные об экологичности КПГ:

а) транспортные средства на КПГ имеют более низкие по сравнению с бензином выбросы парниковых газов на 1 километр пробега транспортного средства, но по сравнению с двигателями на дизельном топливе (на стадии эксплуатации) выбросы более высокие;

б) для обеспечения низких выбросов загрязняющих веществ (на уровне выше Евро-3) транспортные средства на КПГ требуют установки систем очистки выбросов, прежде всего в целях снижения выбросов оксидов азота, но системы очистки могут быть проще, чем для дизельных двигателей[2];

в) для обеспечения оптимальных экологических характеристик разрабатывают специальные ДВС на КПГ, как с воспламенением от сжатия, так и с искровым зажиганием, со своим стехиометрическим соотношением, способами впрыска топлива, системами очистки выбросов;

г) двухтопливные бензин/газовые двигатели экологических классов 5 и выше показывают лучшие экологические характеристики при эксплуатации на КПГ, чем на бензине, по выбросам твердых частиц (черного углерода) и углеводородов, но сходные или более высокие по выбросам оксидов азота (все вещества приоритетные с точки зрения воздействия на здоровье);

д) при переоснащении бензиновых АТС для использования КПГ в качестве моторного топлива[3] снижаются выбросы твердых частиц и углеводородов, но могут повыситься выбросы оксида углерода и оксидов азота.

В целом потенциал повышения экологических характеристик транспорта за счет использования КПГ/СПГ является ограниченным и зависящим от конкретных условий (например, от уровня загрязнения воздуха в городе). Наиболее целесообразным представляется перевод на КПГ/СПГ грузового дизельного транспорта.

Биотопливо (жидкое — этанол, метанол, биодизель; газообразное — биогаз, биогенный водород)

Транспортное биотопливо существует в основном как этанол и биодизель. В 2014 году этанол составлял 74% рынка транспортного биотоплива, биодизель — 23% (преимущественно в форме метиловых эфиров жирных кислот), гидрированное растительное масло (HVO) — 3%. Биотопливо используется в основном в виде топливной смеси — небольшой добавки (до 10%, например, B7 является максимальной смесью, разрешенной Директивой о качестве топлива для продажи в ЕС, где B7 указывает максимальное содержание биодизеля 7%).

Эти виды топлива производятся из пищевого сырья. Этанол получают из сахарного тростника (61%) и из зерна (39%). Основными видами сырья для производства биодизеля являются соя и рапс. Экологичным является использование при производстве биотоплива сырья второго поколения, то есть жмыха, отходов сельского хозяйства, отработанных масел и тому подобного.

Использование биотоплива на сырье второго поколения позволяет снижать выбросы СО2, кроме того, имеются сведения о снижении выбросов загрязняющих веществ при использовании биотоплива, по-видимому, за счет меньшего количества примесей по сравнению с ископаемыми видами топлива. Так, при использовании биодизеля выделяется на 65–90% меньше CO2, чем при использовании ископаемого дизельного топлива[4], на каждый килограмм биодизеля выбросы CO2 сокращаются примерно на 3 килограмма[5]. Двигатели, использующие биодизельное топливо, также выделяют значительно меньше выбросов загрязняющих веществ, включая твердые частицы, оксид углерода и углеводороды[6]. Кроме того, биодизельное топливо имеет чрезвычайно низкое содержание серы[7] и естественные самосмазывающиеся свойства, которые снижают выбросы металлов, связанные с износом двигателя[8], снижают износ систем очистки выбросов.

Водород

Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобилей может осуществляться путем применения:

• самого водорода;
• водорода совместно с традиционными нефтяными видами топлива;
• водорода как топлива в топливных элементах (рассматривается отдельно).

Используют водород в двигателях, работающих на традиционном топливе нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативным топливом, например, со спиртами (этиловый, метиловый) или природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическим топливом, мазутами и так далее.

Водород может являться топливом для дизельных двигателей с рядом изменений; он существенно улучшает экологические характеристики при добавлении в бензин в качестве присадки; в РФ имеются научные работы[9], в которых испытана возможность производства водородсодержащей топливной смеси из метанола прямо на борту автомобиля с хорошими экологическими характеристиками (лучше, чем у бензина, на примере отечественных автомобилей). Для современных конструкций бензиновых двигателей наиболее эффективно использование водорода в качестве добавки к бензино-воздушной смеси. При этом не требуется серьезных изменений в конструкции топливной системы и системы двигателя в целом.

Отсутствие углерода в водородном топливе приводит к тому, что в отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СnНm). Незначительное количество этих продуктов в отработавших газах обусловлено выгоранием смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания. При стехиометрическом составе смеси за счет более высокой температуры горения водородно-воздушной смеси вдвое превышается выброс оксидов азота бензинового двигателя. Обеднение смеси приводит к быстрому снижению оксидов азота, а при α = 1,8 они в отработавших газах практически отсутствуют. Оксиды азота также обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах.

Кроме того, существует проблема детонационного сгорания. Возможно использование антидетонационных свойств воды для исключения детонации водородного двигателя.

Двигатели автотранспорта и системы очистки выбросов

Загрязняющие вещества выбрасываются из ДВС в результате неполного сгорания топлива, присадок и моторных масел, а также в результате окисления азота воздуха (оксиды азота). Количество образующихся загрязняющих веществ зависит от таких факторов, как вид впрыска и наличие системы управления впрыском, стехиометрическое соотношение, форма двигателя, режим работы двигателя[10].

В целях постепенного снижения выбросов государствами устанавливаются нормативы выбросов для новых типов транспорта (первыми из них были нормативы Евро). Действующие в настоящее время нормативы (Евро-5 в Евразийском экономическом союзе, Евро-6 в Европейском союзе) требуют от производителей автотранспорта оснащать его сложными системами управления и контроля работы двигателя и связанными с ними системами очистки выбросов (например, регулирование времени подачи топлива, бортовая система контроля выбросов, система рециркуляции ОГ, каталитические нейтрализаторы, фильтры твердых частиц, системы селективного каталитического восстановления и другое).

Наличие сложных систем удорожает производство автомобилей, оказывает влияние на их динамические характеристики и требует более сложного обслуживания (например, для дизелей Евро-6 — закупать мочевину), что у ряда автовладельцев вызывает желание отключить часть функций и приводит к значительному росту выбросов загрязняющих веществ. Для бензиновых двигателей наблюдается деградация трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, через 100–150 тысяч километров пробега требуется его замена.

Таким образом, в ходе обновления автопарка города существенно растет значение контроля выбросов загрязняющих веществ при эксплуатации, комплектности систем очистки выбросов и корректности работы бортовых систем контроля.

Двигатели на альтернативных источниках энергии

Электроэнергия

В электромобилях для движения используется энергия, запасенная в аккумуляторах. Отсутствуют выбросы вредных веществ и парниковых газов от самого автомобиля при его эксплуатации. Косвенные выбросы зависят от способа производства электроэнергии. Недостатки: время зарядки (в настоящее время не менее 10 минут для электробусов в Москве в качестве подзарядки между рейсами, не менее 20 минут для личного электромобиля при «быстрой» зарядке до 80% заряда аккумулятора); опасность перегрева и возгорания аккумулятора; потеря заряда в холодное время года; ограниченный межзарядный пробег для большинства современных моделей; утилизация аккумуляторов; необходимость редкоземельных элементов для их производства. В целом электромобиль (преимущественно легковые автомобили и легкие грузовики) может стать хорошим решением для повышения качества воздуха в крупных городах, где спрос на мобильность не может быть полностью удовлетворен общественным транспортом и микромобильностью, при этом необходимо обеспечивать экологичные способы производства электроэнергии.

Водородные топливные элементы

Автомобили с водородными топливными элементами — это, по сути, те же электромобили, в которых производство электроэнергии происходит на борту с помощью топливных элементов из водорода. В результате выхлоп состоит из водяного пара. В сравнении с электромобилями имеют больший запас хода и меньшее время заправки (до 5 минут). Возможно производство водорода непосредственно на АЗС при наличии доступного источника воды путем электролиза (экологично при использовании ВИЭ при электролизе). Недостатки: повышенные требования к баку для водорода (легко утекающий газ), неразвитая и дорогостоящая инфраструктура, меньшая энергоэффективность по сравнению с электромобилем (дополнительная ступень производства и сжатия водорода). Методы производства водорода активно развиваются, но наиболее широко распространено производство из метана (90,5%) и из воды методом электролиза (около 2,5%)[11]. В мировой практике основные виды водорода по типу технологий производства принято обозначать цветами, где зеленым является водород, произведенный из воды с применением ВИЭ (углеродно-нейтральный), а коричневым — водород из метана. В случае производства из метана водород не является углеродно-нейтральным, но его углеродный след может быть снижен применением технологий улавливания и хранения СО2 и только в этом случае выбросы СО2 на единицу производимой энергии в жизненном цикле водорода ниже, чем при простом сжигании природного газа[12].

По мнению некоторых российских экспертов[13], внедрение водорода ожидается в городских автобусах, коммерческих транспортных средствах, включая такси, дальнемагистральных грузовиках, а также на отдельных участках железных дорог, где возможна централизованная заправка.

Технология развивающаяся, еще много проблем, в частности, транспортировка (требования к коррозионной стойкости и плотности металла для водородопроводов). Однако в перспективе водород (в случае решения проблем транспортировки и удешевления производства) может стать основой «углеродно-нейтральной» энергетики, в том числе накопителем энергии для ВИЭ, топливом для энергетики и транспорта и сырьем для ряда отраслей промышленности (универсальность водорода).

В целом применение водорода в среднесрочной перспективе может быть интересно для дальнемагистрального транспорта, отдельных парков транспорта (где возможна установка «локальных» установок производства водорода), приморских территорий (источники воды).

 

---

[1] Natural Gas Vehicles.

[2] Последние международные публикации свидетельствуют о том, что выбросы твердых частиц от двигателей КПГ Евро-6 превышают нормативы для двигателей аналогичных типов автомобилей на дизельном топливе (испытания проводились для грузовых АТС), что связано с временно менее строгими требованиями к очистке — только с 2023 года двигатели на КПГ Евро-6 должны оснащаться фильтрами твердых частиц. Таким образом, двигатели на КПГ для достижения высоких экологических требований на уровне Евро-6 должны оснащаться системами очистки выбросов. Про системы очистки: Victor Lejona, Dedicated to Gas: Assessing the Viability of Gas Vehicles.

[3] M.I. Jahirul, H.H. Masjuki, R. Saidur, M.A. Kalam, M.H. Jayed, M.A. Wazed, Comparative engine performance and emission analysis of CNG and gasoline in a retrofitted car engine, Applied Thermal Engineering, Volume 30, Issues 14–15, 2010, Pages 2219-–2226.

[4] JEC Well-To-Wheels Report v5, JRC, 2020.

[5] Economic and Social Aspects of Applying Biodiesel Fuel in Road Transport, M. Skočibušić et al., 2010.

[6] N. Travis, Biofuels, 2012, 3, 285.

[7] M. S. Graboski and R. L. McCormick, Prog. Energy Combust. Sci., 1998, 24, 125.

[8] A. K. Agarwal et al., Renewable Sustainable Energy Rev., 2011, 15, 3278.

[9] Поиск путей вхождения отдельных видов альтернативных энергоресурсов в сферу перспективного освоения водородной энергетики на отечественном транспорте, д.т.н. проф. Фомин В.М., к.т.н. доц. Хрипач Н.А., Известия 74 МГТУ «МАМИ» № 1(19), 2014, т. 1, стр. 74-83; Фомин В. М., Бендик М. М., Сидоров М. И., Герасименко С. А. Водородная энергетика автомобильного транспорта: зарождение и современное состояние // ГИАБ. 2006. № 12.; Кутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей // Конверсия в машиностроении, 1997. — № 6. — С. 73–79, цитата по ссылке 29.

[10] Также качество моторного топлива, присадок и моторного масла.

[11] Оставшиеся 7% — побочный продукт производств.

[12] Sebastian Timmerberg, Martin Kaltschmitt, Matthias Finkbeiner, Hydrogen and hydrogen-derived fuels through methane decomposition of natural gas — GHG emissions and costs, Energy Conversion and Management: X, Volume 7, 2020, 100043, ISSN 2590-1745.

[13] A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe, стр. 10. Также: начальник отдела департамента секторов экономики Минэкономразвития Рустам Абульмамбетов (источник: «Концепция развития электротранспорта в России»); мнение приводится в обзоре НП «Глонасс» «Водродный транспорт: текущее состояние и перспективы», 2021, стр. 14.

Фото на обложке: Zuma / TASS