УДК 504.05

Расчет выбросов углекислого газа в транспортном секторе

Воробьев Сергей Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации транспортных средств Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Разумов Павел Александрович – аспирант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Трофимов Евгений Сергеевич – аспирант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Аннотация: Согласно исследованиям, транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания вносят значительный вклад в выбросы углекислого газа в атмосферу. Рассмотрена взаимозависимость потребления топлива и выбросов углекислого газа. Математическая модель показала хорошее соответствие с официальными данными.

Ключевые слова: углекислый газ, транспортное средство, бензин, дизель, выбросы в атмосферу, молярная масса.

В отчетах Межправительственной группы экспертов по изменению климата [1] за 2019 год было установлено, что 70% транспортных выбросов приходится на дорожные транспортные средства (ТС), в то время как на авиацию, судоходство и железные дороги приходится 12%, 11% и 1% соответственно. Несколько газов, совместно обозначаемых как ПГ, вносят свой вклад в процессы глобального потепления. Из отчетов [1] следует, что вклад различных газов в глобальное потепление составляет CO2 (53%), хлорфторуглероды (24%), метан (CH4) (15%) и закись азота (N2O) (5%). Замечено, что наибольший вклад в парниковый эффект вносят выбросы CO2. Транспортная деятельность и, в первую очередь, сжигание ископаемого топлива и возникающие в результате выбросы углекислого газа относятся к числу видов деятельности, в значительной степени вызывающих потепление.

Сжигание углеводородных видов топлива определило развитие истории автотранспорта с момента изобретения автомобиля «Benz Motorwagen» в 1886 [2, 3]. Отметим, что Франсуа Исаак де Риваз изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, почти за 80 лет (в 1807) до открытия, совершенного Карлом Бенцем [4, 5]. Одной из основных причин, по которым (жидкие) углеводородные виды топлива снискали большую популярность, чем (газообразный) водород, было большее удобство транспортировки первых.

В настоящее время сопровождающие процесс сгорания выбросы (углекислый газ, оксиды азота, взвешенные частицы) находятся в центре общественного внимания. Они стали причиной введения странами по всему миру все более строгих экологических стандартов [6-8]. Вследствие самой природы горения топлива полностью устранить выбросы не представляется возможным. Можно только ограничить их влияние путем повышения топливной экономичности транспортных средств на двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Ожидается, что к 2035 г. продолжающиеся усилия по достижению этой цели приведут к снижению среднего потребления топлива парком ТС ДВС на треть по сравнению с сегодняшним днем [9]. Это станет причиной такого же снижения объемов выбросов углекислого газа транспортным сектором, так как эти выбросы есть результат сжигания углеводородов в процессе эксплуатации ТС.

Выбросы углекислого газа в транспортном секторе можно разбить на две подкатегории:

  • выбросы «от скважины до бака» (гCO2/кВт/ч) – выбросы, образующиеся на всех этапах поставки энергоносителя (электроэнергии), т.е., от момента добычи на скважине, с учетом очистки, переработки и доставки, выработки электричества или водорода;
  • выбросы «от бака до колес», возникающие при преобразовании кинетической энергии, осуществляемом ТС.

Взаимозависимость потребления топлива и выбросов углекислого газа с учетом вида топлива рассмотрена далее на основе статьи, опубликованной Оливер-Хойо и Пинто [10].

Уравнение описывает (идеальный) процесс сгорания углеводородного топлива CxHy:

image001(1)

Для целей выполнения расчетов бензин и дизельное топливо сведены к октану C8H18 и додекану C12H26, соответственно. На основе этих допущений с учетом (1) составлены следующие уравнения.

Бензин: image002(2)

Дизельное топливо: image002(3)

Из уравнений (2) и (3) определим молярное соотношение между CO2 и CxHy - соотношение между количеством получаемого продукта (CO2) и количеством веществ, участвующих в реакции (CxHy). В этих реакциях оно эквивалентно количеству атомов углерода x в соответствующем виде углеводородного топлива:

image003(4)

С учетом массовой плотности бензина ρg (кг/л) и дизельного топлива ρd (кг/л), соотношение (4) позволяет определить количество CO2, выделяемого на один литр потребленного топлива Φg/d (кг/л), с помощью уравнения:

image004(5)

image005(6)

Решение уравнений (5) и (6) выполняется при заданных молярных массах соответствующих веществ, image006= 114 г/моль, image007= 170 г/моль, image008= 44 г/моль:

Бензин: image009

Дизельное топливо: image010

Полученные значения очень хорошо коррелируют с официальными данными Службы энергетической информации США (Φg = 2,35 кгCO2/л; Φd = 2,68 кгCO2/л [11]) и Ассоциации европейских производителей автомобилей (ACEA, Φg = 2,30 кгCO2/л; Φd = 2,65 кгCO2/л [12]).

Заключение. Ожидается, что в ближайшие десятилетия спрос на транспорт во всем мире будет расти по мере увеличения численности населения планеты, роста доходов и того, что все больше людей смогут позволить себе автомобили, поезда и перелеты. В совокупности эти факторы приведут к значительному увеличению транспортных выбросов. Представленная в статье математическая модель взаимосвязи между потреблением топлива и выбросами углекислого газа позволит прогнозировать объем выбросов в зависимости от вида топлива с хорошей точностью.

Список литературы

  1. Intergovernmental Panel On Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change, Working Group III. In Climate Change 2019: Mitigation for Climate Change 4th Assessment Report // The Intergovernmental Panel on Climate Change URL: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/ar4_wg3_full_report-1.pdf (дата обращения: 05.04.2023).
  2. Минкин А. В., Яруллин Р. М. Изобретение автомобиля: каким он был и каким он будет // Актуальные проблемы истории естественно-математических и технических наук и образования. – 2014. – С. 41-43.
  3. Mom G. The renewed invention of the automobile. De auto opnieuw uitgevonden //Energie Technologie;(Netherlands). – 1992. – Т. 2. – №.
  4. Карташов А. В., Казиев З. В., Глущенко Д. С. История создания двигателя внутреннего сгорания // Наука и научный потенциал-основа устойчивого развития общества. – 2018. – С. 57-58.
  5. Raţiu S. The history of the internal combustion engine // Annals of the faculty of engineering Hunedoara. – 2003. – Т. 1. – № 3. – С. 145-148.
  6. Кожонова К. Б. Система стандартов в области экологического менеджмента // Современный менеджмент: теория и практика. – 2022. – С. 179-187.
  7. Xu B., Xu R. Assessing the role of environmental regulations in improving energy efficiency and reducing CO2 emissions: Evidence from the logistics industry // Environmental Impact Assessment Review. – 2022. – Т. 96. – С. 106831.
  8. Albulescu C. T., Boatca-Barabas M. E., Diaconescu A. The asymmetric effect of environmental policy stringency on CO2 emissions in OECD countries // Environmental Science and Pollution Research. – 2022. – Т. 29. – № 18. – С. 27311-27327.
  9. Alani W. K. et al. Enhancing the fuel saving and emissions reduction of light-duty vehicle by a new design of air conditioning worked by solar energy // Case Studies in Thermal Engineering. – 2022. – Т. 30. – С. 101798.
  10. Pinto G., Oliver-Hoyo M.T. Using the Relationship between Vehicle Fuel Consumption and CO2 Emissions To Illustrate Chemical Principles // Journal of Chemical Education. – 2008. – Т. 85. – № 2. – С. 218.

Интересная статья? Поделись ей с другими: