Дипломная работа: Методы снижения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду
Более 4000 экологически чистых электромобилей ездит по дорогам Германии – это 0,01% от общей численности автопарка страны. Количество электромобилей в 2007 г. увеличилось на 2,5%. Они заняты в основном на доставке мелких партий товаров в небольшие магазины. В этой связи эксперты полагают, что в Германии нашлось бы применение как минимум для 10 млн электромобилей. При этом потребление электроэнергии возросло бы на 5%, что потребовало бы строительства новых электростанций.
В настоящее время в России только Волжский автомобильный автозавод, не считая мелких опытно-конструкторских фирм, выпускает электромобили. В его арсенале «Ока электро», длиннобазная «Нива» ВАЗ-2131Э, «Пляжный «Эльф» и показанный на Парижском автосалоне 2009 г. оригинальный электромобиль «Рапан». Электрическая «Ока» весьма уверенно чувствует себя в плотном городском потоке, свободно разгоняясь до 100 км/ч. Запаса хода полностью заряженной машины хватает на 100 км при движении по городу. Главная проблема в несовершенстве аккумуляторных батарей. Создано и эксплуатируется несколько десятков аккумуляторов, в том числе никель-кадмиевые, никель-серные, серебряно-цинковые и др. Большинство имеет короткий срок службы, незначительную энергоемкость и высокую стоимость, сопоставимую порой со стоимостью всего автомобиля. Кроме того, для их подзарядки требуется немало времени. Та же «Ока электро», оснащенная никель-кадмиевой батареей, заряжается не менее 6-7 ч.
Перезарядка воздушно-алюминиевых батарей не требует использования электросети, а сводится к механической замене отработанных алюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 мин. Еще проще и быстрее происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроокиси алюминия. На заправочной станции отработанный электролит подвергают регенерации и используют для повторной заправки электромобилей, а отделенный от него гидроксид алюминия направляют на переработку. Автомобильная энергоустановка 92ВА-240 пока выпускается в опытных партиях.
В 2001 г. в Москве начали использоваться аккумуляторные электромобили «Муравей», предназначенные для уборки тротуаров и пешеходных зон. Эти экологически чистые машины работают только от электроэнергии и заряжаются от обычной розетки в 220 вольт в течение восьми часов. Продолжительность их работы без перезарядки – около четырех-пяти часов.
Маленькие желтые машинки высотой около полутора и длиной в два метра были созданы конструкторским бюро «Тетр». Электромобиль «Муравей» получил бронзовую медаль на Первом международном салоне инноваций и инвестиций. Недавно российские ученые предложили принципиально новый подход к решению проблемы: вырабатывать электроэнергию на борту электромобиля непосредственно из бензина (без теплового двигателя и генератора). Компактные электромоторы установлены прямо в колесах (рис. 1). Это так называемый механотронный узел, который не только экономит электроэнергию и во много раз снижает вес электромобиля. Компьютер управляет всеми колесами: тут и антиблокировочная система и система курсовой устойчивости. Под днищем машины установлены блоки топливных элементов – автономные электростанции суммарной мощностью 40 кВт. Дополнительно в цепь включен буфер из суперконденсаторов – для мгновенного повышения мощности. Заправиться можно бензином на обычной бензоколонке, но эффективнее использовать метанол, который можно синтезировать из угля или природного газа. Пойдет и водород и даже спирт. Расход топлива для автомобиля класса «Волга» составляет 3,5 л метанола на 100 км.
Рис. 5. Схема российского электромобиля
Механотронные узлы на электромобилях – дело будущего. Наука еще не подошла к созданию миниатюрных и достаточно мощных узлов. Для этого нужно решить проблему сверхпроводимости.
Топливными элементами Россия уже располагает. Оборонная промышленность выпускает самые дешевые мембраны для топливных элементов. Электронную начинку дешевле покупать за рубежом. Таким образом, в России создан электромобиль нового поколения. Многие зарубежные специалисты проявили интерес к российской технологии производства топливных элементов. В 2008 г. создана Российская ассоциация электрических транспортных
средств Росэлектротранс. Эта общественная организация будет заниматься продвижением электромобиля в России.
В интересах защиты окружающей среды считается целесообразным перевод автотранспорта на электротягу, особенно в крупных городах. Предполагается, используя существующие типы источников тока с определенным их усовершенствованием, создать и передать в эксплуатацию электромобили, экономически и технически конкурентоспособные с обычными автомобилями. Последующие этапы развития электромобилей связывают с их серийным и массовым производством и постепенным увеличением доли в автомобильном транспорте. Оценки показывают, что в 2000 г. электромобили могут составлять 5% общего числа автомобилей мира, а в 2025 г. – 15%.
9. Альтернативные виды топлива
Во всем мире ученые ищут и пытаются освоить альтернативные виды топлива. Особенно это важно для регионов, характеризующихся неблагоприятной экологической обстановкой. К подобным видам топлива относится газо-хол-бензин или дизельное топливо с 10–20%-ной добавкой этилового спирта, вырабатываемого из отходов растениеводства и лесопереработки, ранее выкидывавшихся на свалку. Если к середине 70-х гг. было всего 5 стран, использовавших такое топливо, то к 2008 г. их стало 30.
Первые пробы нетрадиционного топлива были сделаны в Бразилии. В 1968–1973 гг. там была разработана правительственная программа «Проалколь», рассчитанная на 10-15 лет. Она предусматривала «оснащение» нефтеспиртовым топливом не менее 2/3 всего автотранспорта страны.
Конструкторы разработали двигатели для работы в двух режимах бензиновом и бензино-спиртовом. Кроме того, научились переналаживать и стандартные автомобильные двигатели на двухтопливный режим. Если в конце 70-х гг. на спиртонефтяном топливе в Бразилии работало около 1/3 легкового и примерно 20% грузового транспорта, то в 2007 г. соответственно 75% и почти 60%. В настоящее время промышленность страны выпускает около 8 млрд л этанола в год, из них 7,5 млрд л потребляется транспортом. Это привело к тому, что в 5 раз сократилась загрязненность воздуха в городах, втрое уменьшилось потребление нефтяного топлива автотранспортом. Сельскохозяйственные корпорации имеют стабильный рынок сбыта отходов. Правительство установило стабильные цены на сырье для «спиртового топлива», низкие налоги для предприятий, выпускающих нефтеспиртовые смеси, а также повысило цены на бензин и дизельное топливо. Тем самым «провоцировался» спрос на новую продукцию. По мути Бразилии пошли Зимбабве и Мозамбик, страны Юго-Восточной Азии и ЮАР. С середины 80-х гг. США начали выпускать такое горючее, а также специальные двухтопливные двигатели для легковых и грузовых автомобилей.
В 2000 г. правительственный комитет по реформированию аграрного комплекса и проблем экологии Украины одобрил проект программы «Этанол: 2000-2010», разработанной по поручению президента и правительства республики. Она предусматривает перевод примерно 1/3 автопарка на бензино-спиртовое и чисто спиртовое топливо – этанол. Ресурсы этанола практически неисчерпаемы: из отходов сельского хозяйства, главным образом свекловодства и переработки импортного тростникового сахара-сырца. На Украине ежегодно производится свыше 5,5 млн декалитров этанола и еще 300-310 тыс. декалитров сугубо технических спиртов (этанол, метанол и т. п.). Ежегодные мощности украинских предприятий позволяют выпускать 66 млн декалитров таких спиртов при потреблении в сфере транспорта 6–9 млн декалитров.
С 80-х гг. в Западной Европе для дизелей применяют так называемое «биодизельное топливо»: эфиры жирных кислот, рапсово-метиловый эфир (РМЭ), получаемые при переработке растительных масел и их отходов. Основными потребностями в странах ЕС пока остаются грузовики и междугородные автобусы: их проезд в большинстве стран – членов Евросоюза, на обычном дизельном топливе запрещен, а экологические штрафы превышают разницу в сбыточной стоимости масло-эфиров, смешанного топлива, с одной стороны, и дизельного топлива – с другой.
Испытания 2005-2008 гг. показали, что наиболее эффективным экономически невысоким по капиталоемкости и надежности в эксплуатации является РМЭ. Принцип здесь такой: перед получением РМЭ 1 т масла смешивают с 110 л метанола. Потом к смеси добавляют катализатор – гидроокись калия – для отделения глицерина и нагревают до 40–50°С. Процесс повторяется до максимальной чистоты эфиров. Из 1 т масла при производстве РМЭ выделяется до 100 кг глицерина.
С 2008 г. в России проводятся испытания сельхозтракторов на биодизе смеси рапсового масла с дизтопливом в пропорции 75:25. В Ижевске с этого года действует программа по охране окружающей среды (рассчитанная до 2003 г. включительно), предусматривающая серийное производство бензино-этанольных (или метанольных) топлив и соответствующих двигателей.
Многие рассматривают метанол или древесный спирт как перспективное автомобильное топливо, альтернативное бензину. С экологической точки зрения наиболее перспективно углеродное топливо. Оно сгорает «чище», образуя главным образом диоксид углерода и воду. Кроме того, давление паров метанола в несколько раз ниже давления паров бензина, поэтому испарение метанола практически не является источником загрязнения окружающей среды.
В выхлопных газах автомобиля, работающего на метаноле, содержится в 5 раз меньше двуокиси углерода и в 10 раз меньше различных углеводородов по сравнению с современными автомобилями с бензиновыми двигателями. В выхлопах работающих на метаноле автомобилей практически нет твердых веществ (сажи) и токсичных веществ за исключением формальдегида.
Главным недостатком метанола является более низкое энергосодержание: в единице объема метанола заключено примерно в 2 раза меньше энергии, чем в единице объема бензина или дизельного топлива. Это значит, что топливный бак для метанола больше и тяжелее. Преимуществами метанола являются высокое октановое число, низкие потери при сгорании и способность к конверсии (превращению) в газ с высоким энергосодержанием.
Для повышения КПД двигателя надо увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в бензиновых двигателях сжатие не должно быть больше 4–5-кратного. Метанол позволяет повысить степень сжатия до 15-кратного. В силу этого он обеспечивает повышение характеристик мощности и КПД, что обусловливает его предпочтение в автогоночной технике.
Кроме того, метанол позволяет полностью снизить потери тепла при сгорании, что кардинально изменяет систему охлаждения двигателя. В частности, по мнению некоторых специалистов, можно вообще отказаться от радиатора и вентилятора, особенно при использовании керамических материалов в наиболее теплонагруженных узлах двигателя. Между тем снижение массы двигателя с охлаждающей системой на 1 кг позволяет снизить массу других частей автомобиля на 750 г. А более легкому автомобилю требуется меньше энергии для ускорения.
Наконец, способность конверсии в газ с высоким энергосодержанием также является важным преимуществом. Получается смесь газов монооксида углерода и водорода, именуемая «синтез-газом» с высоким энергосодержанием. Ее можно взять, применяя специальный катализатор из тепла отработавших газов, что позволяет провести конверсию на борту автомобиля. Таким образом, с помощью утилизации тепла отходящих газов повышается КПД, топливная экономичность двигателя и его экологическая чистота.
В Российском НИИ технологии материалов для этого процесса разработан новый катализатор, обеспечивающий полную конверсию метанола, высокую стабильность и отсутствие побочных продуктов. Причем свойства этого катализатора не ухудшаются при использовании технического метанола. Метанол имеет следующие недостатки. Выхлопы автомобилей на метаноле содержат в 2 раза больше формальдегида, чем выхлопы автомобилей на бензине, однако при работе на метаноле количество выбрасываемых углеводородов, способных превращаться в формальдегид, уменьшается в десятки раз. Следовательно, уровень формальдегида даже понизится. Если же полностью контролировать метанол в «синтез-газе», то ни один канцероген, включая формальдегид, присутствовать в выхлопе не будет.
Самым перспективным сырьем для получения метанола является уголь, запасы которого в отличие от нефти и газа намного больше. Спрос на метанол как транспортное топливо откроет новый рынок сбыта для угля.
Средняя цена на метанол составляет 15 центов за 1 л против 29 центов за 1 л бензина. При увеличении объемов производства стоимость метанола будет еще ниже. Например, самый большой завод производительностью 900 тыс. т метанола в год построен в Чили фирмой «Келлог». Цена получаемого здесь метанола составляет всего 7 центов за 1 л.
Японские ученые предложили использовать в качестве горючего «кухонное» масло, являющееся бытовым отходом. Технологически эта операция состоит из двух этапов: на первом отработанное масло фильтруют из остатков пищи, а на втором – производят химическую реакцию с участием метанола и катализаторной смеси. Получается превосходное по свойствам горючее, которое годится для любого дизельного двигателя.
10. Организация автомобильного движения в городах с целью улучшения экологической обстановки
Для уменьшения уровня загрязнения атмосферного воздуха необходимо регулировать транспортные нагрузки на улицах городов, стараться, чтобы они были более равномерными. При этом прежде всего следует учитывать структуру города – расположение промышленных и жилых районов, мест отдыха и центров культурно-бытового обслуживания. Наиболее загруженные участки транспортной сети надо дублировать, прокладывая новые линии движения транспорта.
Примерно 20-30% общей протяженности всех улиц и проездов в городе составляют магистральные улицы. Именно на них сосредотачивается до 60-80% всего автомобильного движения, т. е. магистрали в среднем загружены примерно в 10–15 раз больше, чем остальные проезды.
Создание в городе сети магистралей скоростного движения позволяет существенно повысить пропускную способность путей сообщения, сократить число дорожно-транспортных происшествий, изолировать «спальные» районы и общественные центры от концентрированных потоком транспортных средств, а следовательно, улучшить там экологическую обстановку. Но магистраль скоростного движения – дорогостоящее сооружение, строительство ее может быть эффективно только на направлениях, обеспечивающих мощные и устойчивые транспортные потоки с относительно большой в пределах города дальностью поездок. Поэтому такие магистрали строят лишь в крупных городах с полицентрической структурой и растянутой территорией.
Серьезную проблему представляют автомобильные «пробки» в крупных городах. Дело в том, что объем выделяемых в атмосферу токсичных веществ находится в прямой зависимости от расхода топлива, который в свою очередь зависит от скорости движения автомобиля. Когда транспорт «еле ползет» по перегруженным улицам, расход топлива увеличивается в 3–4 раза, следовательно, резко увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу.
Для повышения средней скорости движения в крупных промышленных центрах японские инженеры еще в 60-х гг. предложили строить многоярусные автомобильные эстакады в местах наибольшего скопления транспорта.
В России особенно тяжелая экологическая ситуация с автотранспортом сложилась в Москве. Средняя скорость движения здесь снизилась до 12 км/ч, а средняя длина проезда без остановки составляет 400-500 м. Каждый четвертый двигатель не соответствует требованиям ГОСТа по токсичности и дымности. Ежедневно под окнами жителей домов прогревают двигатели сотни тысяч автомобилей.
С 25 августа 2007 г. в Москве запрещено движение большегрузного транспорта по Садовому кольцу в дневное время – до 19 часов. Исключение сделано лишь для машин, обеспечивающих реконструкцию и строительные работы по обновлению городских объектов. Нововведение оформлено как дополнение к действующему уже несколько лет решению московского правительства, установившего подобный запрет на заезд многотонников в центральную часть столицы. На Садовом кольце намечено сооружение трех двухуровневых развязок – на Сухаревской, Кудринской и Смоленской площадях, а также прокладка девяти дополнительных пешеходных тоннелей. Подземные переходы позволят разгрузить многие перекрестки, где задерживается автотранспорт. Известно, что у светофоров автомобили «газуют», работая на холостом ходу. Разветвленная сеть подземных тоннелей для пешеходов под улицами и площадями (в Москве их более 400) уменьшит вредное воздействие автотранспорта на городскую среду. Кроме того, организуется множество притротуарных платных автостоянок, что позволит уменьшить число машин в центре города и улучшить движение общественного транспорта.
