Как говорил мой преподаватель по предмету "Экология" Максим Павлович Шефер в университете, понятие "вредность" - это понятие концентрации какого-либо вещества, наносимого вред здоровью и окружающей среде, в единице объема". Иначе говоря, сколько конкретного вредного вещества нужно для нанесения негативного воздействия окружающей среде или человеку. Мы часто слышим, что превышена та или иная граница вредных выбросов. А каких именно выбросов? Какие вещества вырабатываются при сгорании различных видов топлива и считаются опасными для здоровья человека и природы? Какая их концентрация опасна? Давайте разберем какие вредные вещества получаются при выбросе отработавших газов в окружающую среду.
Итак, по порядку (но не по степени опасного воздействия):
Оксиды азота (NOx).
Они являются основными причинами смога и формирования опасного озона на низких уровнях атмосферы.
Некоторые опасные концентрации NOx:
- Более 0,0013% в воздухе — NOx действуют как острый раздражитель слизистых оболочек.
- 0,004–0,008% — могут вызвать отёк лёгких.
Как раз для уменьшения выделения оксида азота на автомобилях с ДВС устанавливают катализатор.
Частицы взвешенных веществ (PM).
Они выделяются при сгорании топлива в двигателях автомобилей и могут проникнуть в лёгкие, вызвав аллергические реакции, воспалительные процессы и даже раковые заболевания. Особенно уязвимыми перед мельчайшими частицами являются дети, пожилые люди и лица с уже существующими проблемами здоровья.
Выделяют частицы PM10 размером от 2,5 до 10 микрометра (мкм), PM2.5 — размером от 0,001 до 2,5 мкм и PM1 — размером менее 0,001 мкм. Из-за малого размера PM2.5, PM10 и PM1 не оседают в носу, во рту или горле, как более крупные частицы, а попадают в лёгкие.
По данным ВОЗ, среднесуточный уровень PM 2.5 в воздухе не должен превышать 25 мкг/м.куб., а среднегодовой – не более 10 мкг/м.куб.
Диоксид углерода
Или углекислый газ (CO2). Эти выделения приводят к увеличению парникового эффекта и повышению температуры планеты, а также оказывает сильное негативное воздействие на человека.
Смертельная концентрация углекислого газа (СО2) составляет 10%. Она почти мгновенно вызывает остановку дыхания.
Концентрации и их влияние на организм человека:
- От 5% углекислого газа во вдыхаемом воздухе возникают головные боли и головокружение.
- При более высоких концентрациях появляются учащённое сердцебиение, повышение артериального давления, одышка и потеря сознания.
- Концентрация свыше 8% приводит к отравлению с последующим смертельным исходом в течение 30–60 минут.
Оксид углерода
Или угарный газ (СО).Предельно допустимые концентрации: 20 мг/м3 в воздухе рабочей зоны 1 и 3 мг/м3 в воздухе населенных мест, причем последняя цифра означает максимальную разовую концентрацию. Среднесуточная — втрое меньше.
При содержании 0,08% угарного газа во вдыхаемом воздухе человек чувствует головную боль и удушье. При повышении концентрации угарного газа до 0,32% возникает паралич и потеря сознания (смерть наступает через 30 минут).
Углеводороды
Предельно допустимая концентрация (ПДК) алифатических углеводородов в атмосферном воздухе составляет 1,5 мг/м 3. ПДК суммы углеводородов в воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод) – 300 мг/м 3.
Содержание углеводородов в воздухе опасно для здоровья человека. Они могут вызвать проблемы с дыханием, аллергию, а также привести к раку.
При высоких концентрациях углеводороды способны нанести непоправимый вред здоровью или даже привести к летальному исходу. Вдыхание воздуха, содержащего концентрации выше ПДК, способно привести к параличу дыхательных центров центральной нервной системы, что грозит мгновенной остановкой сердца и смертью.
При небольших концентрациях возникают симптомы, типичные для отравления: слабость, головокружение, головная боль, возможна потеря сознания, симптомы трахеобронхита. Также могут появиться проблемы с сердечно-сосудистой системой, печенью, эндокринными железами, центральной нервной системой.
Кроме того, углеводороды способствуют парниковому эффекту и изменению климата, разрушают озон, снижают фотосинтетическую способность растений.
Оксид серы
ПДК оксида серы в воздухе:
- в атмосферном воздухе — 0,5 мг/м³;
- в рабочей зоне — 10 мг/м³.
Оксид серы (IV) SO 2 (диоксид серы) в высоких дозах очень токсичен. Симптомы при отравлении сернистым газом — насморк, кашель, охриплость, сильное першение в горле и своеобразный привкус. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации — удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких. При кратковременном вдыхании оказывает сильное раздражающее действие, вызывает кашель и першение в горле.
Сажа
Предельно допустимая концентрация (ПДК) сажи в воздухе составляет 0,15 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,05 мг/м³ (среднесуточная). Было доказано на практике, что микроскопические частицы сажи приводят к развитию раковых заболеваний дыхательных путей и кожи.
Сажу можно приравнять к частицам взвешенных веществ (PM), но так как она может выделяться (в бóльшей степени) в дизельном двигателе, стоит отметить как отдельный вид вредного вещества. Для борьбы с сажей на "дизеля" устанавливают сажевые фильтры.
Бензапирен
Это ароматическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов. Чрезвычайно токсичен, относится к I (высшему) классу опасности. Это канцерогенное вещество ассоциируется с различными видами рака, включая лёгкие, пищевод и мочевой пузырь.
Некоторые нормы содержания бенз(а)пирена:
- В воздухе. Согласно гигиеническим нормативам 2.1.6.1338-03, предельно допустимое среднесуточное количество бензапирена в воздухе (ПДКсс) — 0,1 мкг/100 м³ или 10–9 г/м³.
- В почве. По гигиеническим нормативам 2.1.7.2041-06, ПДК бензапирена в почве — 0,02 мг/кг в сумме с учётом фонового уровня.
- В питьевой воде. При централизованной системе водоснабжения — не более 0,000005 мг/л. В бутилированной питьевой воде — от не более 0,001 мкг/л для воды высшего качества до не более 0,005 мкг/л в бутилированной воде первой категории качества.
- В продуктах питания. Согласно технического регламента Таможенного союза 021/2011 «О безопасности пищевой продукции», допустимый уровень бензапирена — не более 0,001 мг/кг для копчёных мясных, мясосодержащих и птичьих продуктов, копчёного шпика, продовольственного зерна; не более 0,005 мг/кг для копчёной рыбной продукции. В продуктах детского питания наличие бензапирена не допускается.
Из вышеперечисленного понятно, что бенз(а)пирен легко проникает в любое другое вещество, отравляя его, приводя к токсичности и отравлению. В транспортной инфраструктуре бенз(а)пирен попадает в основном в воздух.
Выбрать самый опасный выброс (вещество) отработавших газов достаточно сложно (да и не нужно), ведь всё зависит от индивидуальных особенностей человека и может отличаться в зависимости от состояния здоровья и, конечно же концентрации в воздухе и времени нахождения в отравляющей среде без средств защиты.
Далее разберем самые используемые двигатели с различными видами топлива, а также их выбросы вредных веществ окружающую среду.
Сразу оговорюсь, что рассмотрим современные типы систем (карбюраторы и паровые двигатели в расчет не берем). Все параметры, которые приведены ниже, являются средними. Стоит учесть, что эти параметры верны при нормальной работе двигателя и его исправном техническом состоянии.
Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно при резком нажатии на педаль газа, а также при движении с малой скоростью и высокими оборотами. Очень существенное влияние на количество вредных веществ в единицу времени влияет объем двигателя (в случае с ДВС), а также масса транспортного средства и нагрузка на силовую установку.
Итак, существуют 3 основных вида двигателя внутреннего сгорания (ДВС):
- Бензиновый;
- Дизельный;
- ДВС на природном газе (метан).
А так же другие системы двигателей:
- Гибрид (бензин-электромотор);
- Пропан-бутан;
- Газодизель (дизель и метан);
- Электродвигатели.
1. Бензиновый ДВС:
Некоторые показатели состава выхлопных газов бензинового двигателя:
- Оксиды азота (NOx). до 9%
- Частицы взвешенных веществ (PM). до 0,005%;
- Диоксид углерода 5,0–12,0%;
- Оксид углерода 0,1–10,0%;
- Углеводороды 0,2–3,0%;
- Оксид серы 0–0,002%;
- Сажа 0–0,04%;
- Бензапирен 2,1–3,3%.
Самый распространенный двигатель на сегодняшний день.
При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец.
2. Дизельный ДВС:
Некоторые показатели состава выхлопных газов дизельного двигателя:
- Оксиды азота (NOx). до 10%
- Частицы взвешенных веществ (PM). до 1%;
- Диоксид углерода (CO2). 7,1%;
- Монооксид углерода (CO). 0,043%;
- Углеводороды 0,005%;
- Оксид серы 0–0,03%;
- Сажа 0,1–1,1%;
- Бензапирен до 3,7%.
Чтобы снизить выбросы оксидов азота в выхлопе дизельных двигателей используют мочевину (AdBlue). Раствор впрыскивается в выхлопную систему автомобиля и, вступая в реакцию с отработанными газами, помогает преобразовывать оксиды азота в безвредные вещества — водяной пар и азот. Двигатель отличается большой мощностью на низких оборотах, бóльшей степенью сжатия в отличии от других ДВС.
3. ДВС на природном газе (метане):
Некоторые показатели состава выхлопных газов газового двигателя:
- Оксиды азота (NOx). до 8%
- Частицы взвешенных веществ (PM). до 0,0003%;
- Диоксид углерода (CO2). 2,0–10,0%;
- Оксид углерода 0,02–2%;
- Углеводороды 0,002–2%;
- Оксид серы 0%;
- Сажа 0%;
- Бензапирен 0,001–0,01%.
Двигатель имеет низкие показатели вредности среди ДВС, так как метан почти полностью сгорает в камере сгорания. Данные двигатели имеют меньшую мощность по сравнению с дизельным при одинаковом объеме, но при этом сгорание топлива происходит в полной мере, а в отработавших газах содержатся практически лишь пары воды.
Другие системы:
1. Гибрид (бензин-электромотор):
Еще раз приведу показатели вредных веществ бензинового двигателя:
- Оксиды азота (NOx). до 9%;
- Частицы взвешенных веществ (PM). до 0,005%;
- Диоксид углерода 5,0–12,0%;
- Оксид углерода 0,1–10,0%;
- Углеводороды 0,2–3,0%;
- Оксид серы 0–0,002%;
- Сажа 0–0,04%;
- Бензапирен 2,1–3,3%.
Так в чем же заключается экологичность? Ответ лежит в продолжительности работы ДВС и его мощности. Автомобиль имеет низкий уровень выбросов вредных веществ в атмосферу, так как в основном использует электрическую энергию для движения и регенеративное торможение для зарядки батареи. А ДВС используется для подзарядки батареи и в режимах высокой скорости автомобиля (при низкой нагрузке на силовую установку.
Но стоит отметить, что при производстве элементов гибридной силовой установки (электромотора, инвертера, никель-металл-гидридной батареи) производитель загрязняет окружающую среду неметановыми углеводородами и твёрдыми частицами, не подвергающимися процессам разложения. Степень этого загрязнения немного больше, нежели среднестатистическая при создании машин с классическим двигателем внутреннего сгорания. Это связано с тем, что гибридный привод сложный, его производство требует больше энергии, а значит и больше выбросов.
Автомобили с гибридной установкой имеют меньший расход бензина и неплохой момент "с низов"., так как при нагрузке на бензиновый силовой агрегат, подключается электромотор.
2. ДВС на пропан-бутане:
В начале нулевых и до нашего времени большое количество автовладельцев стали устанавливать газобаллонное оборудование (ГБО) на свои автомобили. А в частности пропан-бутановые системы. По сути автомобиль на ГБО можно назвать битопливным, то есть для запуска и прогрева используется бензин с теми же выбросами, которых особенно много на данных режимах работы ДВС.
Рассмотрим показатели состава выхлопных газов двигателя при работе на смеси пропан-бутан:
- Оксиды азота (NOx). до 8%;
- Частицы взвешенных веществ (PM). до 0,0003%;
- Диоксид углерода 4,4–10,4%;
- Оксид углерода 0,05–3,4%;
- Углеводороды (неканцерогенные) 0,1–2,0%;
- Оксид серы 0–0,0004%;
- Сажа 0%;
- Бензапирен 1,8–3,0%.
Пожалуй здесь же стоит упомянуть и системы ГБО на метане (природный газ). Показатели выбросов вредных веществ будут схожи с моногазовым двигателем (который работает только на метане). Но будут немного выше, так как сюда же мы учитываем прогрев двигателя на бензине и характеристики (бензинового) ДВС и его комплектующие, такие как: степень сжатия, программные настройки ЭБУ, калильное число свечи и ее зазора на электродах, рабочие давление газа.
Так же нельзя исключать человеческий фактор при установке и обслуживании ГБО как метановой установки, так и пропан-бутановой. Так как двигатель, который выходит с производства (завода-производителя) уже под газовый вид топлива более точно спроектирован, просчитан и настроен.
3. Газодизель (дизель и метан):
Некоторые показатели состава выхлопных газов газодизельных систем:
- Оксиды азота (NOx). до 9%;
- Частицы взвешенных веществ (PM). до 0,9%;
- Диоксид углерода (CO2). 8-9%;
- Оксид углерода 0,09-1%;
- Углеводороды 0,025%-0,7;
- Оксид серы 0–0,02%;
- Сажа 0,1–0,8%;
- Бензапирен до 3,7%.
Системы газодизеля широко получили свое применение в грузовой технике. Особенно актуально это для транспортных средств (ТС), которые проходят большие расстояния. В связи, что метан в среднем в 3,4 раза дешевле дизельного топлива, то совмещая эти два вида топлива - получается существенная экономия. Но нужно понимать, что система не может работать на одном виде топлива. Здесь происходит замещение метаном дизеля в соотношении от 50-70% метана к 50-30% дизеля соответственно. Силовые характеристики двигателя также меняются от соотношения двух видов топлива.
4. Электродвигатели:
Раз мы разбираем современные решения в сфере автотранспорта, то нельзя обойти, наверное, самую спорную и в тоже время развивающуюся технологию производства и эксплуатации - автомобили, оснащенные электродвигателями. Тема достаточно изъезженная, но сравнить выбросы вредных веществ в соотношении, как мы делали это с прошлыми видами энергии, немного сложнее. Поэтому рассмотрим сферу производства, эксплуатацию и утилизацию автомобиля с электромотором.
Производство. Гораздо большая экологическая опасность электромобилей кроется вовсе не в выбросах энергогенерации, а в последствиях процессов производства и использования мощных аккумуляторов. Так, представители упомянутого Норвежского университета наук и технологий занялись изучением производственных процессов, связанных с выпуском электромобилей и высчитали, что предприятия данной отрасли выбрасывают в окружающую среду гораздо большее количество токсических отходов, чем обычные автомобильные заводы. Выяснилось, что при производстве машин на электротяге в атмосферу также выходит в два раза больше парниковых газов, что, как оказалось, связано с повышенным энергопотреблением ввиду технологических причин. По расчётам исследователей, только на производство одного электромобиля расходуется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тыс. литров бензина, а такой объём достаточен для поездок обычной машины среднего класса на весь период её эксплуатации. Основная доля энергозатрат и токсических выбросов приходится на выпуск аккумуляторов. Даже на этапе производства электромобилей риски экологических последствий в районах размещения заводов, таких, как кислотные дожди и сокращение биоресурсов, гораздо выше, чем для обычных автостроительных предприятий, отмечают учёные.
Эксплуатация. Во время эксплуатации электромобили не производят выбросов, в отличие от автомобилей с ДВС. По исследованию VDI Gesellschaft Fahrzeug, проведённому в Германии, после пробега в 200 000 км суммарные выбросы электромобиля составят 24,2 тонны CO2, что значительно ниже, чем выбросы дизельного автомобиля (33 тонны CO2) и ниже, чем у гибрида (24,8 тонны CO2).
Утилизация. Аккумуляторные батареи, которые питают электромобили, не вечны. По мере того как срок службы подходит к концу, становится актуальной проблема переработки. Литиевые батареи могут хранить больше энергии на той же площади, что и традиционные свинцово-кислотные. Но отработанные литиевые батареи выбрасывают в атмосферу загрязняющие вещества.
Аккумуляторы содержат металлы и материалы, которые могут быть извлечены и использованы повторно, однако процент перерабатываемых литиевых аккумуляторов остаётся очень низким.
Вывод:
Подведя итог, можно сказать, что ДВС, гибриды, битопливные системы, моногазовые и электрические системы развиваются и совершенствуются. Становятся все более строгими экологические стандарты. Мнений по этому поводу очень много. И все они отчасти правдивы. Еще хочу отметить, что сильное влияние на экологичность выхлопа автотранспорта имеет само топливо. Ведь для удешевления производства топлива (особенно касается бензина и пропан-бутана), добавляют различные присадки (не все из них опасные, а некоторые необходимые), которые негативно влияют на сгорание топливно-воздушной смеси и выделение вредных веществ в атмосферу и окружающую среду.
О влияние экономики энергетических запасов в этой статье не будем говорить, так как это большая и отдельная тема.
Спасибо за внимание! Делитесь своими знаниями и опытом в комментариях. Подписывайтесь, если статья была полезна. И до новых встреч!