Экологические аспекты эксплуатации автомобильного транспорта

Аннотация: В статье рассмотрено негативное воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду и здоровье человека. Представлены категории такого воздействия на всех этапах полного жизненного цикла автомобиля, включая добычу сырья, изготовление, эксплуатацию и утилизацию.

На современном этапе развития автомобилестроения и накопления знаний в области экологии становится ясным, что вред, наносимый автомобильным транспортом окружающей среде, не ограничивается выбросами вредных веществ и шумом, которые нормируются. Производство, эксплуатация и утилизация автомобиля порождают целый ряд экологических проблем, существенно влияющих на жизнь и здоровье людей, развитие экосистем и глобальные изменения в масштабах планеты.

До последнего времени оценка вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду и человека проводилась лишь на стадии эксплуатации по выбросу вредных веществ с отработавшими газами [1, 2]. В настоящее время становится понятно, что такой подход не приемлем. На всех стадиях жизненного цикла автомобиля, включая добычу сырья, изготовление, эксплуатацию, переработку и утилизацию, оказывается негативное влияние, как на экологию, так и на здоровье человека. Поэтому учет и снижение такого влияния актуальная тема для исследований.

Развитие знаний в области экологии и взаимодействия человека и природы приводит к выработке все более точных методов оценки этого взаимодействия. Если несколько лет назад ученые выделяли и оценивали 5…10 категорий воздействия, то сейчас их число возросло до 20, и в дальнейшем будет только увеличиваться [3, 4].

При проведении оценки жизненного цикла автомобиля необходимо выделить какой-то ограниченный круг категорий воздействия. В него должны входить те категории, которые позволят достичь поставленную цель исследования. В то же время категорий не должно быть слишком много, чтобы не делать проведение оценки слишком сложным, длительным и дорогим.

Можно выделить те категории, которые необходимо включать в оценку жизненного цикла автомобиля:

• истощение ресурсов;
• изменение климата;
• разрушение озонового слоя;
• токсическое воздействие на человека;
• образование фотохимического смога;
• кислотные осадки;
• эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями);
• шум;
• истощение почвы;
• тепловое загрязнение;
• неприятный запах;
• несчастные случаи и аварии.

Истощение ресурсов

Истощение абиотических ресурсов (руды, нефти, природного газа, других полезных ископаемых) является чрезвычайно негативным воздействием автомобиля на окружающую среду. Для осуществления жизненного цикла автомобиля требуется огромное количество материалов и топлив, добыча которых связана с истощением ресурсов планеты [5].

Истощение биотических ресурсов (ресурсов растительного и животного происхождения) в жизненном цикле автомобиля связано с использованием таких материалов, как дерево, бумага, картон, натуральная кожа. Необходимо стремиться к снижению индикатора истощения биотических ресурсов. Это возможно путем замены материалов биологического происхождения синтетическими материалами, повторного использования, например, древесины и бумаги [5].

Для оценки истощения ресурсов используют индикатор истощения [6]:

где    m_i – расход i-гo ресурса, кг; F_pec – фактор характеризации истощения; i – вид ресурса.

Изменение климата

Глобальное потепление связано с выбросом в атмосферу газов, способных поглощать тепловое излучение земли. Для описания этого явления используется термин «парниковый эффект» [7]. Фактор характеризации изменения климата определяется по следующей зависимости:

где а_i – поглощаемое тепловое излучение на единицу изменения концентрации газа i; c_i (t) – концентрация газа i через время t после выброса; Т – число лет, за которое производится интегрирование. В знаменателе приводятся те же величины для диоксида углерода, выбранного в качестве базового вещества, к которому приводятся выбросы всех остальных газов.

Таким образом, индикатор воздействия выражается в эквивалентном выбросе СО₂ в кг.

Необходимо обратить внимание на величину периода времени Т, для которого производится оценка. Для кратковременных прогнозов используют период 20 и 50 лет, а для долговременных 100 и 500 лет (табл. 3) [6].

Таблица 3

Фактор характеризации изменения климата

Вещество	Формула	Фактор характеризации изменения климата, кг СO2/кг вещества
		20 лет	100 лет	500 лет
Диоксид углерода	СО2	1	1	1
Метан	CH4	62	25	7,5
Оксид азота	N2O	290	320	180
Фреон-11	CFCl3	5000	4000	1400
Фреон-13	CF3Cl	8100	11700	13600

 

Проблеме изменения климата на Земле сейчас уделяется повышенное внимание. В Европе поставлена цель снижения выбросов СО₂ от легковых автомобилей. Намеченный на 2021 год уровень составляет 95 г/км [8].

Разрушение озонового слоя

Разрушение озонового слоя вызывают хлорфторуглероды, часто называемые фреонами. Попадая в верхний слой атмосферы, эти соединения расщепляются с выделением свободного хлора. Один кг хлора разрушает 137,1 т озона [9]. До последнего времени фреоны находили широкое применение в холодильной технике, в том числе в автомобильных системах кондиционирования. Хлорфторуглероды выделяются также при производстве некоторых материалов, применяемых в автостроении, а также при получении электроэнергии на тепловых электростанциях. Индикатор разрушения озонового слоя выражается в эквивалентном выбросе одного килограмма фреона-11.

В качестве примера можно рассчитать индикатор разрушения озонового слоя для процессов производства пластмасс, используемых при изготовлении автомобиля ВАЗ (табл. 4). Известно, что при изготовлении таких пластмасс, как поливинилхлорид, полиэтилен и полипропилен, выделяется фреон-13В1.

Таблица 4

Пример расчета индикатора разрушения озонового слоя при производстве некоторых типов пластмасс, используемых при изготовлении автомобиля ВАЗ

Тип пластмассы	Масса в конструкции автомобиля, кг	Выброс фреона-13В1 при производстве 1 кг пластмассы mi, мкг	Выброс фреона-13В1 при изготовлении одного автомобиля mi, мкг	Произведение mi x Fпарн.i, кг
Поливинилхлорид	12,753	3,7	47,19	0,00054
Полипропилен	3,606	92	331,75	0,00382
Полиэтилен	11,74	76	892,24	0,01026
Итого (Iозон)				0,01462

Токсическое воздействие на человека

Выбросы вредных веществ, которые образуются в жизненном цикле автомобиля, оказывают негативное воздействие на организм человека (табл. 5).

Таблица 5

Классификация заболеваний, связанных с химическими загрязнениями

Поражаемые органы и системы	Химические вещества
Органы дыхания	Хлор и его соединения: соляная кислота, фосген, трихлорид фосфора. Соединения серы: диоксид серы, сероводород, диметилсульфат, серная кислота. Соединения азота: оксиды азота, азотная кислота, аммиак. Соединения фтора: фторид водорода, плавиковая кислота и ее соли. Соединения хрома: хромовый ангидрид, оксид хрома. Карбонильные соединения металлов: карбонил никеля. Растворимые соединения бериллия: фторид бериллия.
Система крови	Бензол и его хлорпроизводные. Хлорорганические пестициды. Гексахлорциклогексан. Свинец, акрилаты. Амино- и нитросоединения бензола. Оксид углерода.
Гепатобилиарная система (печень, желчный пузырь, желчевыделительные протоки)	Хлорированные углеводороды, бензол, анилин, тринитротолуол, свинец, ртутьорганические соединения, фосфор, пестициды, формальдегид.
Выделительная система (почки, мочевой пузырь, мочеточники)	Тяжелые металлы и их соединения (ртуть, свинец, кадмий, литий, висмут). Органические растворители (углерода тетрахлорид, дихлорэтан).
Нервная система	Металлическая ртуть, марганец, соединения мышьяка, сероуглерод, тетраэтилсвинец.
Кожа	Концентрированные неорганические кислоты, некоторые соли тяжелых металлов (Cr, Ni, Со, Hg), большинство органических растворителей, смазочные масла.

В соответствии с «Временной методикой определения предотвращенного экологического ущерба» все выбросы вредных веществ в атмосферу приводятся к диоксиду серы SО₂ [10].

Приведенная масса газового выброса загрязнений в атмосферу определяется по формуле:

где    m_i – масса газового выброса примеси i-гo вида в атмосферу, т/год; А_i – показатель относительной агрессивности примеси i-гo вида, усл. т/т; N – общее число примесей, выбрасываемых источником в атмосферу.

Значение A_i определяется на основе показателя а_i относительной опасности присутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком с учетом ряда поправок.

где    a_i – показатель относительной опасности присутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком; α_i – поправка, учитывающая вероятность накопления исходных примесей или вторичных загрязнителей в компонентах окружающей среды и в цепях питания, а также поступления примесей в организм человека неингаляционным путем; σ_i – принимается равной 1; λ_i – поправка на вероятность вторичного заброса примесей в атмосферу после оседания на поверхностях; β_i – поправка на вероятность образования других загрязнителей, более опасных, чем исходные.

Показатель a_i и поправки α_i, σ_i, λ_i и β_i безразмерные, показателю А_i присваивается размерность уcл. т/т.

Недостатком описанной методики является то, что уточняющие поправки α_i, σ_i, λ_i и β_i приблизительно оценивают возможность химических превращений веществ в атмосфере, накопление их в цепи питания, перенос из одной среды в другую. Достоинство методики – возможность непосредственно оценить экономический ущерб, зная выброс вредных веществ.

Из зарубежных методик следует отметить разработку Национального института здравоохранения и окружающей среды Нидерландов (RIVM). В этой методике в качестве показателя степени воздействия вредного вещества на человека используется доза вещества, поступившая в организм человека в течение одного дня различными путями (с вдыхаемым воздухом, водой, пищей).

В результате определяется фактор, характеризующий токсичность данного вещества. Он называется потенциалом токсичности для человека (НТР_ei) [6]:

где    PDI_ei – дневная доза вещества i, поступившая в организм человека в результате выброса 1000 кг вещества i в среду е; ADI_i – допустимая (безвредная) дневная доза вещества для человека, кг вещества/кг веса тела в день.

В качестве базового вещества, используемого для определения единицы токсичности НТР = 1, в данной методике принят 1,4-дихлорбензол.

Значения потенциала токсичности для человека определяют для следующих сред, в которых производится первоначальный выброс вещества: воздух, вода, сельскохозяйственные угодья и почвы, используемые техногенными объектами.

Общая оценка по данной категории воздействия представляет собой индикатор токсичности – сумму произведений массы выброса данного вещества в данную среду на потенциал токсичности для человека этого вещества в соответствующей среде [11]:

где    m_e,i – масса выброса вещества i в среду е, кг.

Пример расчета индикатора токсичности вредного вещества приведен в табл. 6.

Таблица 6

Пример расчета индикатора токсичности вредных веществ на 1 км пробега условного легкового автомобиля

Вещество	Выброс, mi, г/км	НТРi, уcл. г/г	Произведение mi х НТРi уcл. г/км	Вклад индикатора токсичности, %
Оксиды азота	1,515	1,4	2,121	0,273
Диоксид серы	0,125	0,33	0,041	0,005
Твердые частицы	0,018	0,9	0,016	0,002
1,3-бутадиен	0,031	2400	74,4	9,580
Формальдегид	0,0625	0,91	0,057	0,007
Бензол	0,35	2000	700,0	90,133
Итого	2,1015		776,635	100,0

Результаты представленных расчетов показывают, что наибольший вклад в приведенный выброс вносит выброс бензола, вторым по важности является выброс бутадиена, третьим – оксидов азота.

Другие категории воздействия

Проблема образования смога в городах уже несколько десятилетий беспокоит людей. Наибольший вклад в его образование вносит транспорт. В отработанных газах автомобильных двигателей содержатся летучие органические соединения, оксид углерода и оксиды азота. Скапливаясь в тропосфере, эти соединения активно реагируют друг с другом, а также с кислородом воздуха и водяными парами, находящимися в атмосфере. В результате протекания фотохимических реакций образуются различные высокотоксичные соединения. Основными из них являются озон и пероксиацетилнитрат [12]. Индикатор смога выражается в эквивалентном выбросе этилена С₂Н₄ в кг.

Практически все стадии жизненного цикла автомобиля связаны с выбросами оксидов серы и оксидов азота. Они образуются в процессах производства материалов, топлив и энергии, а также в больших количествах выбрасываются с отработавшими газами при движении автомобиля. Попадая в атмосферу, оксиды серы и азота реагируют с влагой, находящейся в воздухе, и образуют серную и азотную кислоты, которые затем выпадают на землю с осадками. Кроме влажных осадков могут быть и сухие кислотные осадки – соли серной и азотной кислоты. Наибольший вклад в образование кислотных осадков дает выброс диоксида серы. Поэтому постоянно ужесточаются нормы на содержание серы в топливе.

Эвтрофикация связана с повышенным содержанием питательных элементов таких, как азот и фосфор в воде и почве. Изобилие питательных веществ приводит к повышенному росту некоторых видов растений. Так, например, в водной среде резко увеличивается рост водорослей, что приводит к повышенному потреблению кислорода и снижению его концентрации в воде. В таких условиях не могут нормально существовать рыбы и другие обитатели водных экосистем. Повышение содержания питательных веществ происходит в результате выброса оксидов азота и аммиака в воздух либо ионов NO₃, NH4,  в воду [6]. В жизненном цикле автомобиля большие выбросы оксидов азота связаны с процессами сгорания топлива, выбросы соединений фосфора – с применением моющих средств.

Шум является энергетическим загрязнением окружающей среды и сопровождает многие процессы жизненного цикла автомобиля. Наиболее негативное воздействие на людей и окружающую среду оказывает шум, возникающий при движении автомобиля.

Воздействие шума на организм человека приводит к заболеванию системы кровообращения, болезням нервной системы, психическим расстройствам, заболеваниям органов пищеварения, болезням эндокринной системы, нарушению обмена веществ, появлению врожденных аномалий у детей. Шум негативно влияет на экосистемы, отпугивает животных, служит причиной нарушения установившихся путей их миграции.

Экономическая оценка годового ущерба, причиняемого населению шумами от совокупности всех источников в условиях жилых помещений равна:

где    У_н.общ. – экономическая оценка годового ущерба, причиняемого населению шумами, действующими на людей в ночное время в условиях жилых помещений, р./год; У_д.общ – то же в дневное время.

Производство и эксплуатация автомобилей связаны с тем, что большие площади земли используются для строительства предприятий автотранспортного комплекса и дорог. Эти площади становятся на десятки и сотни лет выключенными из жизни экосистем. В настоящее время при проведении оценок жизненного цикла эта категория воздействия, как правило, не учитывается, однако специалисты считают, что в ближайшем будущем ее обязательно необходимо будет учитывать и рекомендуют вычислять индикатор по следующей формуле:

где    а – используемая площадь, м , t – время, в течение которого эта площадь используется, лет.

Тепловое загрязнение окружающей среды играет важную роль в жизненном цикле автомобиля. Наибольший вклад в тепловое загрязнение вносит стадия эксплуатации (65…80 %), поскольку вся теплота, выделившаяся при сгорании топлива, поступает в окружающую среду. Таким образом, автомобили при большом скоплении в городах могут локально повышать температуру воздуха. Поскольку это воздействие локально, то негативный эффект от него незначителен и в оценках жизненного цикла, как правило, не принимается во внимание.

Выбросы вредных веществ, которые оказывают негативное воздействие на здоровье человека, также наносят ущерб растениям и животным. Это воздействие на водные и наземные экосистемы называется экотоксикологическим воздействием.

Воздействие загрязнения окружающей среды на экосистемы очень разнообразно. Загрязнение воздуха, воды и почвы приводит к вымиранию отдельных видов растений и животных, что ведет к уменьшению биоразнообразия и деградации экосистем.

Другим характерным примером воздействия на экосистемы является вымирание лесов. Длительное действие высоких уровней концентраций некоторых загрязнителей от металлоплавильных заводов может убивать деревья и другую растительность в близлежащих районах.

Несмотря на то, что в настоящее время данная категория воздействия редко учитывается в оценках жизненного цикла, в будущем она может стать одной из наиболее важных.

Выброс загрязняющих веществ с неприятным запахом связан с различными процессами в жизненном цикле автомобиля. Наибольшее количество таких веществ выбрасывается на стадии эксплуатации с отработавшими газами и испарениями топлива из бака и топливной системы. В современных оценках жизненного цикла автомобилей эта категория воздействия не принимается во внимание.

По данным ГИБДД МВД РФ общее количество пострадавших в дорожно-транспортных происшествиях водителей и пассажиров легковых автомобилей за период с января по ноябрь 2016 года составило более 218 тыс. человек [13]. Несчастные случаи происходят также при производстве, обслуживании и ремонте автомобилей. При проведении оценок жизненного цикла для этого вида негативного воздействия рекомендуют следующий индикатор [14]:

где    С – количество несчастных случаев на один автомобиль в течение жизненного цикла.

На основании приведенных данных, можно сделать вывод, что объективная оценка экологической безопасности автомобиля может быть выполнена только на основе концепции полного жизненного цикла с учетом всего комплекса его воздействий на окружающую среду.

Также необходимо отметить, что информация, полученная при оценке автомобиля по полному жизненному циклу, позволяет наметить пути совершенствования, как конструкции автомобиля, так и технологических процессов его производства и эксплуатации.

Список литературы

1. Коротких Ю. С. Экологический стандарт Евро-6 в Европе и России // Управление рисками в АПК. – 2016. – № 1. – Режим доступа: http://www.agrorisk.ru/#!korotkih-1/lsuyi.
2. Коротких Ю. С. Перспективы использования газомоторного топлива в России // Международный научный журнал. – 2016. – № 2. – С. 77-80.
3. Виноградов О. В., Карелина А. С. Влияние показателей качества автомобильного бензина и дизельного топлива на состояние окружающей среды // Молодой ученый. – 2016. – № 8. – С. 194-199.
4. Богданов В. С., Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Технологии и средства обеспечения качества топливно-смазочных материалов в АПК. – М. : ООО «УМЦ «Триада», 2016. – 116 с.
5. Звягинцев А. А., Прохорова Е. В. Влияние качества автомобильного бензина на экологию // Современные автомобильные материалы и технологии (САММИТ-2016) : сб. ст. VIII Международной научно-технической конференции (Курск, 24-25 ноября 2016 г.). – Курск, 2016. – С. 122-127.
6. Есеновский-Лашков Ю. К., Мельник В. Г. Автомобиль в полном жизненном цикле. – М. : ООО «УМЦ «Триада», 2010. – 40 с.
7. Википедия – свободная энциклопедия : Парниковый эффект [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82.
8. ЕС намечает будущие цели по выбросам СО₂ для новых автомобилей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dealeron.ru/news/3223-%D0%95%D0%A1-%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%87%D0%B0%D0%B5%D1%82-%D0%B1%D1%83%D0%B4%D1%83%D1%89%D0%B8%D0%B5-%D1%86%D0%B5%D0%BB%D0%B8-%D0%BF%D0%BE-%D0%B2%D1%8B%D0%B1%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%B0%D0%BC-%D0%A1%D0%9E2-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D1%85-%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9/.
9. Кутенев В. Ф., Козлов А. В., Теренченко А. С. Сопоставительный анализ отечественной и европейской методик оценки ущерба от загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.aae-press.ru/j0058/art013.htm.
10. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды. – М. : Госстрой СССР, Госплан СССР, АН СССР, 1983 г.
11. Тулохонова А. В., Уланова О. В. Оценка жизненного цикла интегрированных систем управления отходами [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.monographies.ru/en/book/section?id=8052.
12. Азаров В. К. Разработка комплексной методики исследований и оценки экологической безопасности и энергоэффективности автомобилей : дис. … канд. техн. наук. – М., 2014. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nami.ru/uploads/docs/dessert_sovet_docs3/55a6111c11b88Azarov.pdf.
13. Официальный сайт ГИБДД МВД РФ. Сведения о показателях состояния безопасности дорожного движения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gibdd.ru/stat.
14. Сайкин А. М. Стандарты и методы оценки экологической и активной безопасности горнотранспортного оборудования с дизельным приводом // ГИАБ. – 2011. – № 11. – С.146-154.

Материал поступил в редакцию 23.01.2017
© Карелина А. С., 2017