Проблемные вопросы ограничения выбросов CO2 от автотранспортных средств

УДК 629.(015+018)

В.Ф. Кутенев, д.т.н., проф. / А.В. Козлов, д.т.н. /А.С. Теренченко, к.т.н. / Ю.В. Шюте, инж.

В последние десятилетия наблюдается повышение температуры атмосферы более быстрое, чем когда-либо раньше. Это в определенной мере обусловлено деятельностью человечества, которое, во-первых, нагревает атмосферу путем сжигания огромного количества угля, нефти и газа, а также из-за работы АЭС. Во-вторых, сжигание органического топлива, а также уничтожение лесов приводит к накоплению в атмосфере углекислого газа. В течение последних 120 лет, когда человечество осуществляет интенсивное использование ископаемых топлив, повышенное содержание этого газа в атмосфере действует как стекло в теплице или парнике: CO2 свободно пропускает к поверхности Земли солнечные лучи, но удерживает тепло разогретой Солнцем поверхности Земли.

Более подробно этот процесс можно описать так: парниковые газы пропускают к земной поверхности излучение в области видимого спектра, инфракрасного излучения и части ультрафиолетового излучения через тропосферу. Поверхность Земли поглощает большую часть энергии этих излучений и преобразует их в длинноволновое инфракрасное излучение — то есть в теплоту, которая возвращается в тропосферу. Часть этой теплоты излучается в космическое пространство, часть поглощается молекулами парниковых газов, нагревая воздух, и часть излучается назад, на земную поверхность (см. рис. 1).


Рисунок 1. Парниковый эффект

К парниковым газам относят диоксид углерода, пары воды, озон, метан, хлорфторуглероды и др. Основным веществом, задерживающим теплоту, являются пары воды, т.к. их концентрация в атмосфере в среднем составляет 1…5%. Поступление паров от антропогенных источников (т.е. созданных человеком или возникших в результате его деятельности) играет несущественную роль в образовании парникового эффекта. С другой стороны, концентрация диоксида углерода в атмосфере так мала (0,039%), что довольно большое поступление CO2 от антропогенных источников может существенно влиять на количество теплоты, задерживающейся в атмосфере.

В табл. 1 перечислены основные парниковые газы и данные по их вкладу в глобальное потепление.


Предвидя значительные негативные последствия от глобального потепления, руководством многих стран мира был принят ряд международных соглашений и национальных законодательных актов, ограничивающих как непосредственно выброс CO2, так и способствующих более эффективному использованию энергии и природных ресурсов [1, 2].

Перед мировым сообществом стоит задача 50%-го сокращения выбросов диоксида углерода к 2050 году. Под эгидой Международного энергетического агентства (IEA) был осуществлен прогнозный расчет изменения выбросов CO2 в мире к 2050 г. при условии, что мировое сообщество не будет предпринимать никаких усилий к снижению выбросов (базовый сценарий) и в случае, если будут выполняться международные соглашения по изменению климата (BLUE Map сценарий) (см. рис. 2) [3]. В первом случае годовой выброс диоксида углерода может достичь 62 Гт, во втором он будет снижен до 14 Гт. Также оценивались пути снижения выбросов CO2. По оценкам IEA снижение выбросов диоксида углерода от транспортного сектора мировой экономики составляет почти четверть — 26%. Важность снижения выбросов CO2 от транспорта подтверждается также прогнозом роста потребления ископаемых топлив. Основная роль в увеличении расхода нефти в ближайшие 25 лет принадлежит транспорту и составляет около 75% общемирового роста потребления нефтяных ресурсов.


Рисунок 2. Прогноз мировых выбросов CO2 по различным сценариям [4]

В свою очередь, в структуре выбросов CO2 от транспорта основную роль играют выбросы от легковых автомобилей и легких грузовых и пассажирских автомобилей массой до 3,5 т (43,3%) и выбросы от грузового автотранспорта (22,2%) (см. рис. 3).


Рисунок 3. Структура мировых выбросов CO2 от транспортного сектора экономики

С целью снижения выбросов от автотранспорта в Европейском Союзе в апреле 2009 г. были приняты Правила № 443/2009, касающиеся ограничения выбросов CO2 от новых легковых автомобилей категории M1 [5]. В соответствии с данными Правилами установлена цель: в целом по Европейскому Союзу достичь к 2012 г. средней величины выбросов CO2 от новых легковых автомобилей на уровне 120 г/км, а после 2020 г. — 95 г/км.

Для производителей автомобилей установлены предельные значения выбросов диоксида углерода в зависимости от снаряженной массы автомобиля. Расчет предельных значений выбросов CO2 производится по формуле:


где M — снаряженная масса автомобиля, кг.

На основании данной формулы производитель рассчитывает предельную величину выброса CO2 для выпускаемых им автомобилей для европейского рынка и определяет среднюю величину для всего годового объема выпуска автомобилей для европейского рынка. Затем производитель сравнивает эту предельную величину с реально достигнутой. Для расчета реально достигнутой величины среднего выброса производитель может использовать данные по автомобилям с меньшим выбросом СО2 и принимать в расчет:

– 65% выпускаемых автомобилей в 2012 г.;
– 75% — в 2013 г.;
– 80% — в 2014 г.

Начиная с 2015 г. необходимо учитывать все выпускаемые легковые автомобили для европейского рынка.

На рис. 4 представлен график, иллюстрирующий приведенную выше формулу. На графике также для сравнения показаны величины выбросов CO2 некоторых автомобилей российского производства.


Рисунок 4. Предельные выбросы СО2 от легковых автомобилей в соответствии с Правилами ЕС № 443/2009 на 2012 год

Достижение поставленных целей по снижению выброса диоксида углерода требует совершенствования конструкции автомобиля с целью снижения расхода топлива, а также применения альтернативных топлив. В соответствии со сценарием BLUE Map, рассматриваемым Международным энергетическим агентством, предполагается структура методов снижения выбросов CO2 от транспорта, представленная на рис. 5 [3].


Рисунок 5. Структура методов снижения выбросов CO2 от транспорта по данным IEA

Как видно из представленного рисунка, основная роль в снижении выбросов CO2 отводится повышению топливной экономичности автомобилей. В табл. 2 и 3 приведены результаты оценок Международным энергетическим агентством [3] потенциальных возможностей снижения выбросов CO2 от автомобилей категории M1, N1 за счет совершенствования конструкции и систем управления бензиновыми двигателями и дизелями. Поскольку интенсивность технологического развития силовых установок, а также принятия более жестких норм на выброс CO2 довольно высокая, внедрение приведенных в таблице 2-3 мероприятий может быть ускорено на 5-15 лет.



Вторым по значимости для снижения выбросов CO2 можно назвать направление применения биотоплив [3]. В настоящее время рассматривают классификацию биотоплив, представленную в табл. 4.


Потенциальные возможности снижения выбросов CO2 в полном жизненном цикле различных биотоплив, полученных из различного сырья, представлены на рис. 6. Наиболее высокие показатели имеют биотоплива, полученные из целлюлозы и сахарного тростника.


Рисунок 6. Относительная величина снижения выброса CO2 в полном жизненном цикле биоэтанола и биодизельного топлива

Значительный потенциал в отношении снижения выбросов диоксида углерода предоставляет использование комбинированных энергоустановок (КЭУ) [6]. Возможности снижения выброса CO2 при использовании бензиновых и дизельных КЭУ в автомобилях категории M1, N1 иллюстрирует табл. 5.


В отдаленной перспективе — после 2030 г. прогнозируют интенсивный рост численности автомобилей, оборудованных топливными элементами и работающих на водороде. Применение водорода может стать эффективным способом снижения выброса CO2 только в том случае, если будут разработаны экономичные и экологически безопасные технологии крупномасштабного получения водорода без использования ископаемых ресурсов. Перспективными считают технологии получения водорода с применением ядерной и возобновляемой энергетики. В этом случае возможно 10-15-ти кратное снижение выбросов CO2 в жизненном цикле водорода в сравнении с традиционными нефтяными топливами.

Во ФГУП «НАМИ» активно ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по повышению энергоэффективности и снижению расхода топлива силовых установок, работающих на невозобновляемых природных ресурсах.

За последние три года разработаны:

– опытные образцы газовых, газо-дизельных, биодизельных и дизель-спиртовых модификации двигателей для адаптации и организации их производства на ОАО «Автодизель»;

– опытный образец бензинового двигателя внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, позволяющий снизить расход топлива в городском режиме движения на 20%;

– макетный образец модульного силового агрегата на базе бензинового двигателя с возможностью питания бензином, сжиженным газом и бензо-этанольной смесью Е5;

– макетные образцы автобусов с модульной гибридной силовой установкой и электрохимическим генератором.

Проведенный анализ проблемы снижения выбросов диоксида углерода от автомобильного транспорта показывает, что:

– мировая общественность проявляет повышенный интерес к проблеме глобального потепления, что находит свое отражение в принятии международных и национальных законодательных актов, ограничивающих выбросы парниковых газов;

– в Европейском Союзе в 2009 г. были приняты Правила № 443/2009 касающиеся ограничения выбросов CO2 от новых легковых автомобилей категории M1, в соответствии с которыми установлена цель: к 2012 г. достичь средней величины выбросов CO2 от новых легковых автомобилей в целом по Европейскому Союзу на уровне 120 г/км;

– основными способами снижения выбросов CO2 можно назвать: повышение топливной экономичности автомобилей, применение биотоплив, использование комбинированных энергоустановок и применение водородных топливных элементов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Haurie A., Sceia A., Thenie J. Inland Transport and Climate Change a Literature Review // University of Geneva, 2009. — 18 p.

Global warming and Transport // Information document № WP.29- 149-03 UNECE, 2009. — 17 p.

Energy Technology Perspectives. Scenarios and Strategies to 2050. — Paris: International Energy Agency, 2006. — 486 p.

Fulton L. Transport, Energy and CO2: Moving Toward Sustainability // 3rd INTERNATIONAL TAXI FORUM, 9 October, 2009. — 25 p.

Regulation (EC) №443/2009 of the European Parliament and of the Council setting emission performance standards for new passenger cars as part of the Community’s integrated approach to reduce CO2 emissions from light-duty vehicles, 23 April 2009. — 15 p.

Ogden J. Transitions Toward Low Carbon Transportation Futures. — Davis: University of California, 2009. — 37 p.

Справка по теме

Европейский подход к снижению выбросов СО2

М.Е. Вайсблюм

Евросоюз является активным участником международных усилий по снижению выбросов парниковых газов. В январе 2007 г. Еврокомиссия объявила, что будет стремиться обеспечить к 2020 г. снижение выбросов парниковых газов развитыми странами на 30% (по отношению к уровню 1990 г.) и, по меньшей мере, обеспечить 20%-ое снижение странами ЕС, независимо от того, какие действия в этом плане будут предприняты другими развитыми странами. По оценкам специалистов Евросоюза, автомобильный транспорт является вторым по значимости источником парниковых газов (после производства электроэнергии). Базовая стратегия ЕС по снижению выбросов СО2 легковыми автомобилями была принята в 1995 г. Она базируется на трех основных принципах: добровольные обязательства производителей по снижению выбросов СО2, меры по улучшению информированности потребителей (о показателях выпускаемых автомобилей), и стимулирование продвижения на рынок экономичных автомобилей с помощью фискальных мер.

В 1998 г. Европейская ассоциация производителей автомобилей (АСЕА) взяла на себя обязательство снизить среднее значение выброса СО2 новыми легковыми автомобилями к 2008 г. до 140 г/км. Аналогичные обязательства взяли на себя Японская (JAMA) и Корейская (КАМА) ассоциации автопроизводителей.

В феврале 2007 г. Еврокомиссия одобрила Сообщение об управляющей автомобильной стратегии в 21 веке (CARS 21), в которой, в частности, констатировалось, что несмотря на прогресс в достижении выброса СО2 140 г/км к 2008/2009 г., задача снижения выброса СО2 до 120 г/км к 2012 г. не будет решена, если не будет принято дополнительных мер. Еврокомиссия предложила комбинированный подход для достижения выброса 120 г/км и анонсировала разработку законодательных мер для достижения поставленных целей, в первую очередь введением обязательных требований по снижению выбросов СО2 до 130 г/км за счет совершенствования технологий в автомобилестроении. Дополнительное снижение выброса СО2 на 10 г/км предполагается обеспечить мерами по совершенствованию эксплуатации и применением топлив с добавками этанола.

В апреле 2009 г. введено Правило ЕС № 443/2009 (от 23 апреля 2009 г.), впервые устанавливающее нормативные требования по снижению выбросов СО2 легковыми автомобилями.

Помимо непосредственного эффекта по снижению выбросов СО2, настоящий документ направлен на стимулирование инвестиций в новые технологии, создание новых высокотехнологичных рабочих мест. Специальные предписания предусмотрены для стимулирования производства автомобилей, работающих на альтернативных топливах. Важнейшим аспектом документа является то, что нормативные требования установлены в отношении средних значений выбросов по всему парку выпускаемых автомобилей, а не отдельных автомобилей. Это оставляет производителю достаточно гибкости в выборе технических средств достижения целей. При этом, как уже указывалось выше, при заданном среднем значении выброса СО2 выпускаемых автомобилей на уровне 120 г/км, собственно автопроизводитель должен обеспечить уровень 130 г/км.

К 2020 г. поставлена задача снижения среднего выброса СО2 до 95 г/км.

Нормативные требования вступают в силу с 1 января 2012 г.

Допустимое значение выброса СО2 для каждого автомобиля установлено в зависимости от его массы в снаряженном состоянии. На период с 2012 по 2015 год допускаемые значения выбросов определяются следующим образом:

Допускаемое значение СО2 = 130 + а x (М — М0),

где М — масса автомобиля в снаряженном состоянии, кг; М0 = 1372 — значение массы «среднего» автомобиля, кг, а = 0,0457

С 2016 года значение М0 т.е. значение массы «среднего» автомобиля будет, возможно, пересмотрено.

Допустимое значение выброса СО2 для производителя определяется как среднее значение допускаемых значений СО2 по всему объему производства в календарном году.

Введение требований осуществляется поэтапно. Для расчета предельно допустимого значения выброса СО2 в 2012 г охватывается 65% выпускаемых автомобилей, в 2013 г. — 75%, в 2014 г. — 80%, а с 2015 г. учитываются все автомобили.

Для автомобилей с очень низкими выбросами СО2 (менее 50 г /км) установлены дополнительные преференции путем виртуального увеличения доли таких автомобилей для расчета среднего для производителя значения выброса СО2.

В 2012 и 2013 гг. каждый такой автомобиль рассматривается в расчетах как 3,5 автомобиля, в 2014 г. и 2015 г. — как 2,5 и 1,5 автомобиля соответственно, а с 2016 года коэффициент упраздняется.

Отдельная преференция установлена для автомобилей, работающих на смеси бензина и этанола (Е85). В расчете среднего для производителя выброса СО2 фактические значения выбросов таких автомобилей снижаются на 5%, при условии, что в стране не менее 30% заправочных станций предоставляют возможность заправки смешанным топливом.

При превышении средней величины выброса СО2 относительно рассчитанного предельно допустимого значения с производителя взимается штраф в зависимости от величины превышения. В период с 2012 по 2018 г. за превышение СО2 в размере до 1 г/км штраф составляет 5 € на один автомобиль. За превышение до 2 г/км, до 3 г/км и более 3 г/км сумма штрафа соответственно составляет 15, 25 и 90 € за каждый грамм на 1 км для каждого автомобиля. Так, при превышении выброса СО2 более чем на 3 г/км сумма штрафа, взимаемого с производителя за весь объем производства, составит:

Сумма штрафа € = (( Превышение выбросов — 3 г СО2 / км) x 95 + 1 г СО2 x 25 +1 г СО2 x 15 +1 г СО2 x 5) x количество автомобилей.

С 2019 года сумма штрафа устанавливается 95€ за каждый грамм превышения среднего удельного выброса СО2 (г/км) по отношению к рассчитанному для производителя нормативному значению.