оценка экологичности нефтяных моторных топлив и

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧНОСТИ НЕФТЯНЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И
БИОТОПЛИВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОЛОГИИ ПОЛНОГО ЖИЗНЕННОГО
ЦИКЛА
Егоров В.Н., к.т.н. доц. Апелинский Д.В., Василевкин Е.В.
МГТУ «МАМИ»
[email protected]
В современном мире, с учетом роста парка автомобилей, ограниченности сырьевых
ресурсов для получения нефтяных моторных топлив и методов снижения вредных выбросов
с отработавшими газами, применительно к нефтяному топливу, нам необходимо искать
новые пути решения этой проблемы. В ближайшей перспективе ожидается увеличение
потребности потребления нефтепродуктов при примерно постоянных объемах их
производства, поэтому ожидаемый подъем национальной экономики будет сопровождаться
дефицитом нефти и нефтепродуктов, что создает предпосылки к более широкому
использованию других энергетических ресурсов.
Таких мероприятий, как модернизация систем питания и зажигания двигателей,
совершенствование систем нейтрализации ОГ, повышение качества нефтяных моторных
топлив сейчас уже не достаточно. В комплексе с этими мероприятиями необходимы выбор и
использование альтернативных топлив из биологически возобновляемого сырья, которые бы
снижали выбросы вредных веществ не только на стадии эксплуатации, но и на стадии
получения топлив, а так же уменьшили зависимость от топлив нефтяного происхождения.
Негативное воздействие на окружающую среду не ограничено только выбросами
вредных веществ в эксплуатации, необходимо исследовать применяемое топливо в полном
жизненном цикле (ПЖЦ). Методологию ПЖЦ можно отнести к любому изделию и к топливу
в том числе. На сегодняшний день есть научные работы, в которых исследуется либо ПЖЦ
силовой установки, либо ПЖЦ автомобиля в целом, но экологичность и энергетический
баланс топлив оценить очень сложно ввиду отсутствия существующих методик.
Учитывая важность комплексного подхода к вопросам экологичности продукции,
Международной организацией по стандартизации были разработаны стандарты оценки
продукции по полному жизненному циклу, такие как ISO 14040, ISO 14041, ISO 14042, ISO
14043. Россия в то же время приняла часть стандартов ГОСТ Р ИСО серии 14000 в качестве
государственных стандартов, в том числе стандарты по оценке жизненного цикла [4].
Полный жизненный цикл моторного топлива – совокупность взаимосвязанных
составляющих продукционной системы, начиная с процесса получения сырья до конечной
стадии – использования топлив в ДВС.
В процессе оценки по ПЖЦ проводится анализ расходования энергии, анализ
расходования природных ресурсов, а так же анализ негативного воздействия на
окружающую среду. Существуют следующие требования к топливам при их оценке:
выполнение Российских (Европейских) норм на выброс вредных веществ (СО, СхНу, NOx,
ТЧ) по испытательным циклам, уменьшение выброса СО2, минимальное расходование
природных ресурсов и энергии, а так же минимальный ущерб окружающей среде в полном
жизненном цикле[4, 7].
Оценка по ПЖЦ представляет собой последовательность взаимосвязанных этапов, на
каждом из которых решается определенная задача. Оценка продукции по ПЖЦ включает
следующие 4 этапа:
1.
Определение цели и сферы – начальный этап оценки жизненного цикла,
определяет цель, границы, принятые ограничения, основные процедуры оценки.
2.
Инвентаризация – включает сбор данных и проведение расчетов для
количественной оценки входных и выходных потоков продукционной системы, а также
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
84
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
потоков, характеризующих единичные процессы в жизненном цикле изделия. Эти
входные и выходные потоки могут включать использование ресурсов, энергии, выбросы в
атмосферу, водную среду и почву.
3.
Оценка воздействия – процесс количественной и(или) качественной оценки
результатов воздействия на окружающую среду, определенных на этапе инвентаризации.
Оценка воздействия включает следующие элементы: классификацию, характеризацию,
нормализацию и оценку значимости.
4
Интерпретация является процедурой идентификации, определения, проверки и
оценки информации, полученной на этапах инвентаризации и оценки воздействия, и
представления ее в таком виде, чтобы удовлетворить требованиям, сформулированным на
первом этапе оценки.
Анализ жизненного цикла нефтяного топлива включает в себя стадии, показанные на
рисунке 1.
Для проведения инвентаризации расходования сырья, затрат энергии и воздействия
на окружающую среду необходимо более подробное описание каждой стадии жизненного
цикла топлива. Для этого каждая стадия разделяется на единичные процессы и отдельно
моделируется каждый такой процесс, после чего результаты моделирования
обрабатываются с целью определения материального и энергетического баланса данной
стадии, а затем и полного жизненного цикла.
Рисунок 1 – Стадии жизненного цикла нефтяного топлива
Нефтяное моторное топливо получают в процессе переработки нефти. На среднем
нефтеперерабатывающем заводе сжигается 6-8% топлива от общего количества
перерабатываемой нефти. Уровень энергозатрат зависит от состава нефти, глубины
переработки, числа и качества технологических установок, степени комбинирования
процессов, географического положения производства. Также в анализе необходимо
учитывать токсичность выделяемых химических компонентов и близость расположения
данных мест к жилому сектору или к источникам питьевой воды, т.к. их потенциальное
влияние на здоровье человека может быть очень высоко. За счет высокого уровня
выделяющихся нефтяных углеводородов, места добычи нефти, а также площадки подземных
хранилищ и нефтеперерабатывающие предприятия являются источниками важнейших
экологических проблем. Химические вещества, которые выделяются на данных
производственных объектах – это бензол, толуол, этилбензол, ксилол, все нефтяные
углеводороды и МТБЭ. Бензол оказывает канцерогенное воздействие на организм человека,
а все остальные несут угрозу его здоровью.[1,3]
Значения удельных выбросов вредных веществ при производстве бензина, дизельного
топлива, сжиженного нефтяного(СНГ) и сжатого природного(СПГ) газа приведены в
таблице1.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
85
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
Таблица 1
Удельные выбросы вредных веществ при производстве моторных топлив, г/кг
продукции[3]
Виды топлива и масла
Показатель
Дизтопливо
Бензин
СНГ
СПГ, г/м3
Аэрозоли
2,5
3,6
0,005
0,01
СО2
489,6
695,5
4,0
6,8
СО
10,9
15,4
0,04
0,06
NOx
1,3
1,9
0,05
0,1
SO2
15,4
21,8
0,3
0,5
CxHy
6,3
8,9
1,2
0,003
Энергозатраты,
3,5
5,0
0,14
0,23
кВт ч/кг
Анализ жизненного цикла жидкого биотоплива включает в себя стадии, показанные на
рисунке 2.
Рисунок 2 – Стадии жизненного цикла биотоплива
Проводится анализ процесса получения биосырья, стадий получения биотоплива и его
использования, на каждом этапе анализируются входные и выходные потоки.
Биотоплива, обладают целым рядом преимуществ перед нефтяными топливами, они
снижают выбросы вредных веществ в атмосферу, а так же парниковых газов с учетом
поглощения CO2 из атмосферы в период роста биомассы.
С помощью методологии ПЖЦ можно получить наиболее точную оценку
эффективности применения биотоплив с учетом затрат энергии, выбросов вредных веществ
и экономики использования конкретного вида альтернативного топлива, а так же провести
оценку баланса парниковых газов для конкретного вида топлива.
Рисунок 3 – сокращение вредных выбросов парниковых газов при использовании
отдельных видов биотоплива в сравнении с ископаемым топливом[6]
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
86
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
Оценка баланса парниковых газов начинается со строгого определения граничных
условий конкретной биотопливной системы, которая сравнивается с соответствующей
«традиционной» эталонной системой. Балансы парниковых газов значительно отличаются
для разных культур и местоположений и зависят от методов производства сырья, технологий
переработки и использования. Вводимые ресурсы, такие как азотные удобрения, и способ
получения электроэнергии (например, из угля или нефти, в виде ядерной энергии),
используемые в процессе переработки сырья в биотопливо, могут приводить к варьированию
уровня выбросов парниковых газов.
В большинстве исследований показано, что производство биотоплива из
существующего растительного сырья приведет к сокращению выбросов в интервале от 20 до
60 процентов по сравнению с ископаемым топливом при условии использования наиболее
эффективных систем производства. При посевных площадях рапса в 1тыс. га поглощение
СО2 составит 20 тыс. т. в год, выделение кислорода до 11 млн. л. с 1 га, а посев топинамбура
площадью 1 тыс. га поглощает 8 тыс. т. углекислого газа в год.[5]
Рисунок 4 - Выбросы СО2 на стадиях производства различных видов моторных
топлив и эксплуатации на них легкового автомобиля (г/км)[7]
Анализируя данные, представленные в статье и на диаграмме (Рисунок 4), приходим к
выводу, что топлива, полученные из биомассы, имеют преимущества по экологическим
показателям, как на стадии производства, когда в процессе роста биомассы поглощается
углекислый газ, так и на стадии эксплуатации.
1.
2.
3.
4.
5.
Литература
Карпов С.А., Капустин В.М. , Старков А.К. Автомобильные топлива с
биоэтанолом, - М.: КолосС, 2007. - 216 с;
Козлов А.В., Теренченко А.С., Систер В.Г., Иванникова Е.М. Математическая
модель полного жизненного цикла биодизельного топлива,
Химическое и
нефтегазовое машиностроение №5 2009;
Луканин В.Н., Трфименко Ю. В. Промышленно-транспортная экология/Под ред.
Луканина В.Н. – М.: Высш. шк., 2001 – 273 с;
Международные стандарты ИСО 14000. Основы экологического управления. - М.:
ИПК Издательство стандартов, 1997. - 464 с.;
Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г., Шахов А.В., Багров В.В.
«Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных
двигателях» - М. :ООО НИЦ «Инженер», 2011. – 536с;
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
87
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
6.
7.
Положение дел в области продовольствия и сельского хозяйства.
Продовольственная и сельскохозяйственная организация объединенных наций,
Рим, 2008.;
Теренченко А.С. Экологическая безопасность автомобильных дизелей в полном
жизненном цикле, 2003 – 160с.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
88