Современному человеку, избалованному прогрессом, трудно отказаться от привычных благ, таких как легковая машина, которой подвластны любые дороги, или система автомобильных грузоперевозок, доставляющая необходимые товары в любой уголок земного шара. Как же совместить интересы общества потребления с необхдимостью защиты окружающей среды?
Суть проблемы заключается в том, что количество транспорта неуклонно растет, а бензин и дизельное топливо расходуются в немыслимых масштабах. Содержащийся в них углерод окисляется при сгорании и образует углекислый газ, попадающий в атмосферу и наносящий ей непоправимый ущерб. На долю автотранспорта приходится 25% всеобщего выброса парниковых газов. Стремительный рост всемирного парка машин ведет к увеличению спроса на горючее и утрате контроля над концентрацией в атмосфере вредоносных испарений. Сегодня в США автомобили сжигают 550 млрд. л бензина в год, что составляет около 5 л на человека в день. Если бы в других странах потребление горючего достигло такого же уровня, его мировой расход возрос бы почти в 10 раз.
Как же сделать транспорт безопасным для окружающей среды?
Варианты решений
В первую очередь следует уделить внимание усовершенствованию технологий, повышению эффективности эксплуатации транспортных средств, использованию альтернативных видов горючего, и, наконец, уменьшению размеров автомобилей. Причем чтобы радикально изменить ситуацию, необходимо комплексное принятие всех перечисленных мер.
Надо сказать, что современная транспортная система имеет ряд особенностей. Во-первых, в индустриальных странах она постепенно развивалась на протяжении десятилетий в соответствии с требованиями экономики и запросами потребителей. Во-вторых, она полностью основана на одном источнике энергии – нефти, поэтому понадобятся десятилетия, чтобы ограничить, а затем уменьшить как локальные, так и глобальные последствия сжигания топлива.
Следует учитывать также, что показатели эффективности использования горючего могут вводить в заблуждение: реальное значение имеет только то, сколько его было истрачено для фактического перемещения. Сегодня КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 20% в городском цикле и 35% при оптимальных условиях эксплуатации. Однако короткие поездки на холодном двигателе и при агрессивной манере вождения значительно увеличивают расход горючего, так же, как и длительная работа на холостом ходу в дорожных пробках. Подобные факторы объективно снижают эффективность мотора, в результате до колес доходит только 10% химической энергии, заключенной в топливном баке. Эймори Лавинс (Amory Lovins), активный сторонник легких и экономичных машин, так объяснил схему работы современного транспорта: если в автомобиле, КПД которого составляет 10%, находятся водитель, пассажир и багаж, т.е. полезная нагрузка равна примерно 10% веса самой машины, ее «фактически движет только 1% энергии имеющегося горючего».
При подсчете энергозатрат необходимо принимать во внимание и те, что происходят при производстве бензина и его транспортировке от производителя к потребителю, при эксплуатации машины, а также затраты на ее конструирование, техническое обслуживание и утилизацию. Эти три фазы часто называют «от скважины до топливного бака». На последнюю стадию приходится примерно 15% энергии, используемой машиной за весь срок ее эксплуатации, при этом выбрасывается примерно 15% парникового газа. На путь от топливного бака до колес идет 75% и от конвейера до свалки — 10%. Производство самого горючего и техники также требует значительных энергозатрат.
Существеной экономии можно добиться путем усовершенствования технологии создания транспортных средств. Вкладывая средства в повышение эффективности мотора и трансмиссии, уменьшая вес, улучшая качество шин и оптимизируя тормозные характеристики, за 20 лет можно на 1/3 сократить потребление горючего, что в среднем составит 1-2% в год. В последние 25 лет спросом пользовались крупные, тяжелые и быстрые автомобили, что отнюдь не способствовало стабилизации экологической ситуации. Данная тенденция характерна сегодня не только для США, где она наиболее очевидна, но и для других стран. Чтобы ограничить выбросы парникового газа, необходимо убедить покупателей приобретать автомобили с низким потреблением горючего.
Если средства передвижения станут легче и меньше, сохранив высокие технические характеристики, то в ближайшие 10-15 лет объемы потребления топлива могут снизиться на 20%, что позволит изменить существующую ситуацию, при которой потребление нефти растет примерно на 2% в год.
В долгосрочной перспективе будут разрабатываться альтернативные виды горючего, способные хотя бы частично заменить нефть, а также осуществится переход на использование новых силовых установок, потребляющих водород или электроэнергию. Однако повсеместное внедрение экологического горючего возможно лишь при наличии соответствующей системы его доставки от производителей к потребителям. Сейчас используются также такие виды топлива, как жидкости с высокой энергоемкостью. Для более экономичного горючего потребуются топливные баки большего размера, в противном случае пробег автомобилей снизится и будет составлять около 644 км. Теоретически для получения топлива могут быть использованы нефтеносные пески, тяжелая нефть, горючий сланец, уголь. Однако их обработка в свою очередь требует больших энергозатрат, что приведет к выделению значительного количества парникового газа. Кроме того, такая технология требует крупных капиталовложений. Тем не менее, несмотря на угрозу для окружающей среды, источники нетрадиционной нефти уже начинают использоваться. Ожидается, что в следующие 20 лет они будут поставлять примерно 10% «питания» для транспорта.
Все более широкое распространение получает топливо из биомассы — этиловый спирт и биодизель, — которые, как полагают, дают меньший выброс углекислого газа на единицу энергии. В Бразилии этиловый спирт, произведенный из сахарного тростника, составляет около 40% горючего для автомобилей. В США примерно 20% урожая кукурузы перерабатывается в этиловый спирт, который смешивается с бензином в пропорции 1:9 для получения так называемого реформулированного (более чистого) бензина. В соответствии с недавно принятым в США законом о национальной политике в области энергетики планируется к 2012 г. удвоить производство этилового спирта (сейчас он составляет 2% от общего объема потребления топлива). Однако необходимо также уменьшить количество удобрений, воды, природного газа и электроэнергии, используемых при производстве этилового спирта из кукурузы. Более эффективно получать его из целлюлозной биомассы (стерни и отходов растений, не используемых в качестве корма для животных). Биодизельное горючее может производиться как из продуктов растительного происхождения (масел рапсового семени, подсолнечника и сои), так и из отходов животного жира. Сегодня выпуск подобного вещества незначителен, для практического применения его смешивают с обычным дизельным топливом. Что касается природнго газа, то масштабы его использования на транспорте колеблются в различных странах от 1% до 10-15%.
В новых силовых установках будут использованы усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания (с турбокомпрессором и прямым впрыском горючего), дизельные двигатели с катализаторами в системе выхлопа. По дорогам уже ездят гибридные машины, оснащенные небольшим бензиновым двигателем и электромотором, питающимся от батарей. Такие автомобили потребляют значительно меньше горючего в городском цикле, но на автомагистралях не имеют существенных преимуществ, между тем их стоимость на несколько тысяч долларов выше, чем обычного автомобиля.
Исследователи изучают возможность производства новых видов силовых установок и горючего с небольшим выбросом углекислого газа. Разрабатываются автомобили с топливными элементами на водороде, батареей и электромотором. Такие системы могут увеличить КПД транспортных средств вдвое, однако такое преимущество сводится на нет энергозатратами и выбросами углекислого газа при производстве и доставке водорода потреблению.
Альтернативный водороду источник энергии – электричество. Его применение на транспорте возможно, однако перезарядка батареи занимает много времени. Оснащение модульного гибридного автомобиля небольшим двигателем для перезарядки батареи позволит увеличить пробег и использовать преимущественно электроэнергию и только частично — топливо для мотора.
Стимулируя перемены
Совершенствование технологий, несомненно, повысит эффективность использования горючего. Повышение цен на бензин изменит и спрос на него. Однако рыночные факторы едва ли сдержат увеличивающююся потребность в нефти. Чтобы сократить использование углеродосодержащего горючего, необходима комплексная финансовая и правовая база. Эффективная политика могла бы включать систему налогов и скидок, предполагающую, что, приобретая мощное и «прожорливое» транспортное средство, покупатель платит дороже, выбирая же небольшой экономичный автомобиль, получает бонус. Кроме того, необходимо стимулировать автопроизводителей, которые выпускают продукцию, потребляющую меньше горючего. Налоговые стимулы также могут способствовать внедрению передовых технологий в автомобилестроении. Возможно, тогда мы сможем двигаться вперед, решая все проблемы в комплексе.
Дополнительная литература
Обзор:
Об авторе:
Джон Хэйвуд (John B. Heywood) – директор Слоуновской автомобильной лаборатории при Массачусетском технологическом институте, член Национальной академии машиностроения и Американской академии наук и искусств. Им написан широко известный учебник «Основы: о двигателях внутреннего сгорания» (McGraw-Hill, 1988).
