Onesnaževanja ozračja in ekološki razlogi za vpeljavo električnih vozil

Onesnaževanja ozračja in ekološki razlogi
za vpeljavo električnih vozil
(seminar)
Avtor: Gorazd Lampič
Mentor: Prof. dr. Jana Zagorc-Končan
Povzetek
Trenutno stanje onesnaževanja Zemljinega ozračja je alarmantno.
Pojava ozonskih lukenj in globalnega segrevanja sta posledica človekovega
poseganja v okolje. Promet je eden izmed tistih dejavnikov, ki je odgovoren
za velik del onesnaževanja. Z mobilizacijo azijskih držav, se bo drastično
povečalo število vozil in s tem tudi emisije škodljivih plinov, kar lahko
katastrofalno vpliva na Zemljin ekosistem.
Vplivi avtomobilskih emisij strupenih plinov v naseljenih območjih
negativno vplivajo na zdravje ljudi, živali in rastlin. Z rastjo prebivalstva in
mest se stanje le še slabša.
Obstoječa vozila z motorji na notranje izgorevanje so energijsko
neučinkovita, emisije strupenih plinov pa so previsoke. Rešitev mnogih
problemov bi bila uveljavitev čistejših tehnologij v prometu. Električna
vozila, ki jih poganjajo elektromotorji, so prava rešitev. Električno energijo
na vozilu proizvajajo gorivne celice. V idealnem primeru, ko uporabljamo kot
gorivo vodik, sploh ni škodljivih emisij, saj kot produkt kemijskih reakcij
nastaja le voda. Zaradi tehnoloških težav pri skladiščenju in distribuciji
vodika v plinastem stanju se bodo sprva uveljavila vozila z reformerji, ki bodo
uporabljala metanol in ga na vozilu pretvarjala v vodik. Poleg vode bodo
nastale le emisije ogljikovega dioksida, ki pa bodo zaradi bistveno večjega
izkoristka energije goriva, bistveno manjše. Pri mestni vožnji je razmerje
izkoristkov alternativnih vozil proti obstoječim kar 4 proti 1.
Tudi iz ekonomskega stališča bodo električna vozila ugodnejša kot
dosedanja z bencinskimi in dizelskimi motorji. Cena samega vozila bo na
začetku nekoliko višja, kmalu pa bo padla na dosedanjo raven vozil. Bistveni
ekonomski napredek pa bo pri gorivu, katerega se bo porabilo bistveno manj.
Kazalo
1.
1.2
2.
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
2.3.8
2.3.9
2.3.10
2.3.11
3.
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
Uvod
Motivacija za delo na področju gorivnih celic in električnih avtomobilov
Zemljino ozračje
Plasti Zemljinega ozračja
Zgradba ozračja
Variabilni plini
Vodna para ( H 2 O )
Ogljikov dioksid ( CO2 )
Ogljikov monoksid (CO)
Metan ( CH 4 )
Ozon ( O3 )
Žveplov dioksid ( SO2 )
Dušikov monoksid (NO)
Dušikov dioksid ( NO2 )
Svinec (Pb)
Nevarne organske snovi
Šest najbolj nevarnih snovi v zraku
Ekološki problemi, ki so povezani z onesnaževanjem zraka
Ozonske luknje
Količina in razporeditev ozona v ozračju
Absorpcija UV žarkov v ozračju
Chapmanov cikel
Uničevanje ozona s CFCji
Vpliv UV svetlobe na človeka
Globalno segrevanje
Naravna topla greda
Globalno segrevanje
Posledice globalnega segrevanja
Vpliv onesnaženega zraka na ljudi, živali in rastline
Osnove ekotoksikologije
Vpliv žveplovega dioksida na živa bitja
Vpliv dušikovih oksidov na živa bitja
Vpliv troposferskega ozona na živa bitja
Vpliv ogljikovega monoksida na živa bitja
Največji onesnaževalci zraka
Viri posameznih plinov
Ocena emisij v Sloveniji
Povzetek o vplivu prometa
Ocena emisij CO2 v prometu
2
4
4
5
5
5
7
7
7
8
9
9
10
11
11
11
11
12
13
13
13
15
15
16
18
18
18
20
21
23
23
23
24
24
24
26
26
28
31
32
6.
Onesnaževanja vozil z motorji na notranje izgorevanje
33
6.1
Idealni izpuhi bencinskih in dizelskih motorjev
33
6.2
Izpuhi motornih vozil v praksi
33
7.
Emisije električnih vozil
35
7.1
Gorivne celice
35
7.2
Težave in prednosti električnih vozil
36
7.3
Povzetek o emisijah električnih vozil
37
8.
Tehnična, ekološka in ekonomska primerjava obstoječih in električnih vozil 38
8.1
Tehnične karakteristike vozil z motorji na notranje izgorevanje in električnih vozil38
8.1.1 Izkoristek
38
8.1.1.1 Izkoristek bencinskih motorjev
38
8.1.1.2 Izkoristek električnih vozil in regenerativno zaviranje
40
8.1.2 Moč, hitrost, pospeški in doseg
41
8.1.3 Tehnološke težave električnih vozil
42
8.1.4 Povzetek tehničnih razlik
44
8.2
Ekološka primerjava vozil z motorji na notranje izgorevanje in električnih vozil 44
8.3
Ekonomski vidiki pri vpeljavi električnih vozil
44
9.
Zakoni, povezani z onesnaževanjem zraka
46
10.
»Naftni lobi«
49
10.1 Prilagoditev tovarn
49
10.2 Naftni lobi
49
10.3 Pogled javnosti
50
11.
Zaključek
51
12.
Viri
52
12.1 Tuja literatura
52
12.1.1 Knjige
52
12.1.2 Članki
52
12.2 Domača literatura
53
12.3 Internetni naslovi
53
Priloga: Moč, ki je potrebna za premagovanje upora, trenja in za pospeševanje vozila
54
3
1.
Uvod
Namen seminarja je predstavitev ekoloških problemov, ki jih povzroča promet s
svojim onesnaževanjem zraka in predstavitev rešitev, ki bi zmanjšale onesnaževanje.
Na začetku bom predstavil zgradbo Zemljinega ozračja in dva največja ekološka
problema sedanjega časa (ozonske luknje in pojav globalnega segrevanja). Nadaljeval
bom z opisom delovanja škodljivih plinov na ljudi, živali in rastline. Ta del seminarja je
bolj opisen in služi kot predstavitev motivov za reševanje obstoječih problemov.
V srednjem delu se bom podrobno lotil iskanja krivcev za onesnaženje in
izpostavil vpliv prometa. Zanimala me bo primerjava dizelskih in bencinskih vozil z
električnimi, ki jih bom tudi bolj natančno predstavil. Natančno bom analiziral tehnične,
ekološke in ekonomske prednosti in slabosti električnih vozil.
Na koncu bom predstavil še kratek pregled slovenske zakonodaje, povezane z
onesnaževanjem in prometom.
1.2
Motivacija za delo na področju gorivnih celic in električnih vozil
Avtomobili z motorji na notranje izgorevanje prispevajo velik delež k
onesnaževanju okolja (polovico vseh toplogrednih plinov in velik delež ostalih plinov, ki
onesnažujejo zrak). Z razvojem azijskih držav se bo stanje še poslabšalo, zato je nujno,
da se poišče tehnične rešitve za zmanjšanje onasnaževanja, ki bodo tudi ekonomsko
smiselne. V razvitem svetu na zahodu je avtomobilov približno pol toliko, kot je ljudi
(ZDA, zahodna Evropa), na Kitajskem pa ima svoj avto le vsak stopetdeseti kitajec. V
drugih azijskih državah je podobno (z izjemo Japonske). Ko se bo delež
avtomobiliziranih azijcev povečal, se bo skupno število avtomobilov v svetu vsaj
podvojilo. Zmanjšanje onesnaževanja je torej nujno, sicer se bo pojav tople grede še
stopnjeval, količina strupenih snovi v zraku pa bo še večja.
Rešitev za okolje je prehod na ekološko sprejemljivejša vozila, ki kot vir energije
uporabljajo gorivne celice, gorivo pa temelji na vodiku in spojinah, ki ga vsebujejo.
4
2.
Zemljino ozračje
V tem poglavju bom predstavil fizikalne parametre in sestavo Zemljinega ozračja
ter izpostavil in opisal njegove najbolj pomembne sestavine. Natančno poznavanje
trenutnega človekovega posega v naravo je ključno, za razumevanje prednosti, ki jih
prinašajo električna vozila.
2.1 Plasti Zemljinega ozračja
Za boljšo predstavo si najprej poglejmo najbolj osnovne pojme meteorologije.
Graf 1 prikazuje odvisnost temperature in tlaka od višine, obenem pa so označena imena
posameznih plasti ozračja.
Graf 1: Plasti Zemljinega ozračja [Vir 1, stran 55]
Na levi strani je označena nadmorska višina, desno je zračni tlak, rdeča črta pa prikazuje
temperaturo, katere skala je na abscisi. Označene so tudi štiri glavne plasti ozračja
(Troposfera, Stratosfera, Mezosfera in Termosfera) in tri vmesne (Tropopavza,
Stratopavza in Mezopavza). Poudarjeno je dejstvo, da se največ ozona zadržuje v
stratosferi, kar je pomembno pri obravnavanju ozonskih lukenj.
Pri obravnavi onesnaževanja sta najbolj pomembni plasti ozračja troposfera, v
kateri živimo in stratosfera, kjer se nahaja ozon, ki prestreže velik del ultravijoličnega
sevanja. Poleg tega je v troposferi okoli 75% vsega zraka (masni delež), v stratosferi
približno 25%, oziroma skupaj 99,9%.
2.2 Zgradba ozračja
Pline, ki sestavljajo ozračje delimo na fiksne, katerih koncentracije oziroma
mešalna razmerja so konstantne po prostoru in času, ter variabilne, katerih koncentracije
niso konstantne. Mešalno razmerje oziroma volumski delež je število molekul
posameznega plina deljeno s številom vseh molekul zraka v določenem volumnu,
koncentracija pa je število molekul posameznega plina v kubičnem metru zraka.
Volumski delež je torej neodvisen od zračnega tlaka, koncentracija pa je linearno odvisna
5
od tlaka. Ko govorimo o zastopanosti posameznih plinov običajno uporabljamo mešalna
razmerja ali volumske deleže, koncentracije pa uporabljamo pri primerjavah plinov pri
enakih tlakih ali pri normalnem zračnem tlaku.
Fiksna plina sta dušik ( N 2 ), ki predstavlja 78,08% vseh molekul v zraku, in kisik
( O2 ), ki zavzema 20,95% ozračja. Skupaj dušik in kisik predstavljata 99,03% vseh
molekul zraka. 0,93% molekul pade na žlahtni plin argon, ostalih plinov pa je
zanemarljivo malo. Deleži fiksnih plinov so predstavljeni v tabeli 1.
Tabela 1: Volumski deleži fiksnih plinov [1, 62]
Plin
Delež [%]
Dušik
78,08
Kisik
20,95
Argon 0,93
Neon
0,0015
Helij
0,0005
Kripton 0,0001
Ksenon 0,000005
Variabilni plini, ki jih je v ozračju zelo malo, so ključnega pomena za
onesnaženje, saj ga ravno oni povzročajo. Njihove koncentracije vplivajo na zdravje
ljudi, živali in rastlin, ter na klimatske pojave (pojav tople grede in ozonskih lukenj).
Deleži variabilnih plinov v čisti in onesnaženi troposferi ter stratosferi so predstavljeni v
tabeli 2.
Tabela 2: Volumski deleži variabilnih plinov v različnih plasteh ozračja [1, 63]
Volumski deleži [ppb]
Plin
Čista troposfera Onesnažena troposfera Stratosfera
Anorganski plini
Vodna para
3000 – 6000
3000 - 40 ⋅ 10 6
5 ⋅ 10 6 – 40 ⋅ 10 6
Ogljikov dioksid
365000
365000
365000
Ogljikov monoksid
40 – 200
2,000 – 10,000
10 – 60
Ozon
10 – 100
10 - 350
1000 – 12000
Žveplov dioksid
0,02 - 1
1 - 30
0,01 – 1
Dušikov monoksid
0,005 – 0,1
0,05 - 300
0,005 – 10
Dušikov dioksid
0,01 – 0,3
0,2 -200
0,005 – 10
0,55
0,55
0,22
CFC-12 ( CF2 Cl 2 )
Organski plini
Metan
1800
1800 – 2500
150 – 1700
Etan
0 – 2,5
1 - 50
--Eten
0–1
1 - 30
--Formaldehid
0,1 - 1
1 – 200
--Toluen
--1 - 30
--Metil klorid
0,61
0,61
0,36
Oznaka --- pomeni, da je delež zanemarljiv, z onesnaženo troposfero pa so mišljena
naseljena območja.
6
V tabeli 2 vidimo, kako močno vpliva onesnaženje na koncentracije nekaterih
plinov v zraku ( CO2 , ozon, SO2 , dušikovi oksidi ter večina organskih plinov). V
naslednjem poglavju bom bolj podrobno predstavil pline, ki so pomembni za
onesnaženje.
2.3 Variabilni plini
V tem poglavju bom predstavil deset v zraku najbolj zastopanih variabilnih
plinov. Zanimalo me bo, kakšne so osnovne lastnosti plinov, kako pridejo v ozračje in
kako se iz njega izgubljajo, kakšni so njihovi tipični deleži in kakšen je njihov vpliv na
podnebje in živa bitja. Podrobnejši opis vpliva štirih najbolj pomembnih onesnaževalcev
na živa bitja, sledi v četrtem poglavju.
2.3.1 Vodna para ( H 2 O )
Vodna para je najpomembnejši toplogredni plin. Med variabilnimi plini jo je
daleč največ (tabela 2), poleg tega pa je sestavni del vodnega cikla na Zemlji. Ne štejemo
jo med onesnaževalne pline, zato nimamo pravnih zakonov, ki bi omejevali njeno emisije
v ozračje. Med toplogredne pline jo štejemo zato, ker absorbira infrardečo svetlobo in s
tem onemogoča hlajenje Zemljinega površja. Vpliv vodne pare pri pojavu tople grede je,
zaradi mnogo višje koncentracije, bistveno večji kot vpliv CO2 .
Približno 85% vodne pare se v ozračje sprosti z izhlapevanja oceanov, ostalo pa z
izhlapevanjem jezer in rek, sublimacijo ledu, izparevanjem iz listov rastlin ter kot produkt
pri različnih kemijskih reakcijah. Človekov delež pri emisijah vodne pare je zanemarljiv.
Enaka količina vodne pare, ki nastane po zgoraj omenjenih mehanizmih, se spremeni
nazaj v trdno ali tekoče agregatno stanje. Večina vodne pare se porabi pri kondenzaciji v
kapljice v oblakih in za strjevanje na kristalih ledu. Delež vodne pare v zraku je omejen
z nasičenim parnim tlakom, ki je močno odvisen od temperature. Pri visokih
temperaturah lahko doseže tudi 4 do 5%.
2.3.2 Ogljikov dioksid ( CO2 )
Ogljikov dioksid je naraven toplogredni plin brez barve in vonja. Nastaja kot
stranski produkt pri različnih kemijskih reakcijah, vendar ni tipičen onesnaževalec zraka,
ker iz njega ne nastajajo nadaljnji strupeni produkti kemijskih reakcij. Sam po sebi pri
običajnih koncentracijah tudi ni zdravju škodljiv. CO2 je pomemben toplogredni plin, to
pa poleg vpliva na globalno segrevanje, posredno vpliva pri zmanjševanju koncentracije
ozona v stratosferi.
Večji del CO2 nastane z biološkimi procesi kot so fermentacija, denitrifikacija,
aerobno dihanje, z izhlapevanjem iz oceanov, oksidacijo CO in organskih molekul, pri
vulkanskih izbruhih ter seveda pri gorenju biomase in fosilnih goriv. Iz zraka
se CO2 izgublja pri fotosintezi, z raztapljanjem v oceanih ter s fotolizo v CO v stratosferi
in mezosferi. Povprečni razpadni čas CO2 zaradi vseh naštetih procesov je med 50 in 200
leti.
7
Koncentracija CO2 se je od sredine devetnajstega stoletja (industrijska revolucija)
povečala s približno 280 ppm na današnjih 365 ppm, kar pomeni, da je vpliv onesnaženja
zelo velik. Letno nihanje CO2 je posledica različne aktivnosti fotosinteze. Spomladi je
CO2 malo, ker ga rastline intenzivno porabljajo za fotosintezo, jeseni pa veliko, ker
bakterije razgrajujejo odmrle rastline. Spreminjanje koncentracije CO2 je prikazano na
grafu 2.
Graf 2: Volumski delež CO2 v zraku merjen na observatoriju Mauna Loa (Havaji)[1, 68]
Na ordinati je volumski delež CO2 v enotah ppm, na abscisi so datumi meritev (leta med
1958 in 2001).
Na grafu je lepo vidno letno nihanje deleža CO2 , ter splošen trend rasti. Omeniti
je potrebno, da trenutne koncentracije CO2 zdravju niso škodljive. Prvi znaki slabosti se
pojavijo šele pri 15,000 ppm. Težava, zaradi katere bi bilo potrebno zmanjšati emisije
CO2 je predvsem vpliv na globalno segrevanje.
2.3.3 Ogljikov monoksid (CO)
Ogljikov monoksid je strupen plin brez barve, vonja in okusa, ki je zelo pogost v
naseljenih območjih. Glavni vir CO je nepopolno izgorevanje v motorjih vozil (osebni
avtomobili, tovornjaki, letala,...), poleg tega pa nastaja pri gorenju biomase, gozdnih
požarih, v nekaterih industrijskih in bioloških procesih. Iz zraka se CO izloča predvsem z
oksidacijo v CO2 .
Volumski delež CO v naseljenih območjih je med 2 in 10 ppm, na prometnih
avtocestah in v tunelih pa lahko doseže tudi 100 ppm. Enourno vdihavanje zraka z
vsebnostjo 300 ppm CO povzroča glavobole, 700 ppm pa povzroči smrt. CO se namreč
raztopi v krvi in na hemoglobinu nadomesti kisik, s tem pa onemogoča njegovo normalno
delovanje.
8
2.3.4 Metan ( CH 4 )
Metan je najbolj pogost ogljikovodik v zraku. Infrardečo svetlobo absorbira 25krat bolj učinkovito kot CO2 , a je njegova koncentracija približno 200 krat manjša, zato
je njegov vpliv na pojav tople grede majhen.
Večji del metana (80%) se v ozračje sprošča pri anaerobnih bakterijskih procesih,
ko bakterije predelujejo organske snovi. Približno 20% pa ga nastane pri gorenju fosilnih
goriv in pri uhajanju naravnega plina, ki vsebuje 90% metana. Volumski delež metana je
približno 1,8 ppm, zdravju pa koncentracije tega velikostnega reda niso škodljive.
2.3.5 Ozon ( O3 )
Ozon je pri nizkih koncentracijah brezbarven plin, pri višjih pa se, zaradi
absorpcije zelene svetlobe, obarva vijoličasto. Koncentracije nad 0,02 ppm lahko
prepoznamo po vonju. Ozon je ljudem, živalim in rastlinam neposredno škodljiv pri
dihanju, nepogrešljiv pa je v zgornjih plasteh ozračja (stratosfera), ker absorbira UV
svetlobo.
Ozon nastaja s kemijsko reakcijo O2 in O. Pod vplivom UV svetlobe NO2 razpade
na NO in O (enačba 1), slednji pa reagira z novo molekulo kisika (enačba 2).
(1)
(2)
NO2 + hυ → NO + O
O + O2 → O3
V naravi poteka tudi obrnjena reakcija, kjer iz NO in ozona nastaneta NO2 in kisik
(enačba 3), vendar NO reagira tudi z drugimi prostimi radikali in ga »zmanjkuje« za
reakcije z ozonom.
(3)
NO + O3 → NO2 + O2
Ozon se počasi topi v morski vodi. V bližini vodne gladine je delež ozona med 20 in 40
ppb, v višjih legah pa med 30 in 70 ppb. Dnevno onesnaženje zelo vpliva na njegovo
koncentracijo, saj je v naseljih njegov delež ponoči pod 10 ppb, podnevi pa v najbolj
onesnaženih mestih tudi do 500 ppb. V notranjosti stavb je ozona običajno manj kot
zunaj. Največje koncentracije v stratosferi presegajo 10 ppm.
Pri koncentraciji 150 ppb ozon povzroča glavobole, pri 250 ppb bolečine v prsih.
Enourna izpostavitev koncentracijam nad 300 ppb zmanjšuje aktivnost pljuč, kar najbolj
občutijo astmatiki. Živali so pri koncentracijah nad 100 ppb manj odporne na različna
bakterijska vnetja, rastline pa rastejo počasneje.
Graf 3 na naslednji strani ponazarja dnevno nihanje koncentracije ozona v
naseljenem območju.
Graf 3: Dnevno nihanje koncentracije ozona v naseljenem območju [3, 63]
9
Na ordinati je delež ozona v zraku (enote ppb), na abscisi pa čas. Meritve so potekale tri
dni, označene pa so polnoči in poldnevi. Poleg koncentracije ozona, ki je označena
črtkano, sta prikazani še koncentraciji NO in NO2 .
Iz podatkov na grafu 3 se jasno vidi vpliv sončne svetlobe. Ko sonce zaide se
koncentracija ozona hitro zmanjša, saj ozon reagira z NO in ostalimi plini, nastaja pa več
ne. Tretji dan se je spremenilo vreme, zato se je koncentracija ozona še dodatno
zmanjšala.
2.3.6 Žveplov dioksid ( SO2 )
Žveplov dioksid je brezbarven plin, ki ga vonjamo pri koncentracijah nad 500
ppb. Njegova onesnaževalska vloga je povezana z žveplovo kislino ( H 2 SO4 ), ki vpliva
na kislost dežja.
SO2 se v ozračje sprošča pri gorenju premoga in ostalih fosilnih goriv, pri
vulkanskih izbruhih in pri predelavi nekaterih rudnin. Iz ozračja se izgublja pri topljenju
v vodi, nalaganju na ledu in vezavi v zemljo. Naravni deleži SO2 v troposferi so med 0,01
in 1 ppb, v onesnaženih območjih dosegajo do 30 ppb.
Ker je SO2 topen v vodi, se nabira na dihalnih poteh in pri večjih koncentracijah
(okoli 1500 ppb) onemogoča normalno delovanje pljuč. Dolgotrajno izpostavljanje nižjim
koncentracijam je v pozitivni korelaciji z boleznimi dihalnih poti.
10
2.3.7 Dušikov monoksid (NO)
Dušikov monoksid je pomemben zato, ker je ključen element pri nastajanju
dušikove kisline ( HNO3 ) in nitrata ( NO3− ). NO proizvajajo mikrobi pri denitrifikaciji
rastlin, nastaja pri motorjih na notranje izgorevanje (vozila), v naftnih rafinerijah in pri
gorenju biomase. Iz ozračja izgineva pri kemijskih reakcijah, ko iz njega nastajajo
različne dušikove spojine. V troposferi je delež NO med 5 in 60 ppt, v naseljenih
območjih celo do 100000 ppt. Sam po sebi NO ni škodljiv za ljudi, živali in rastline.
2.3.8 Dušikov dioksid ( NO2 )
Dušikov dioksid je rjav plin z močnim neprijetnim vonjem, iz katerega pod
vplivom svetlobe nastaja ozona (enačbi 1 in 2). Večji del NO2 nastane z oksidacijo NO,
nekaj pa tudi pri gorenju fosilnih goriv. Med gorenjem je koncentracija NO2 približno
desetkrat manjša kot koncentracija NO.
Koncentracija NO2 tekom dneva pada zaradi fotolize, ki jo povzroča svetloba.
Zunanji volumski deleži so med 20 do 70 ppt, v mestih pa med 100 in 250 ppb, torej več
kot tisočkrat več. Koncentracije med 300 in 800 ppb škodujejo zdravju, saj za približno
desetino zmanjšujejo kapaciteto pljuč.
2.3.9 Svinec (Pb)
Svinec je težka belkasta kovina, ki je v zraku prisotna kot aerosolni delec. V
ozračje se sprošča pri uporabi osvinčenega bencina, proizvodnji svinčenih baterijskih
vložkov in pri obdelavi svinčeve rude. Iz zraka se izgublja s padanjem v oceane in na
kopno, ter z dihanjem.
Povprečna količina svinca v zraku se giblje okoli desetine mikrograma na kubičen
meter, 1.5µg / m 3 pa je zgornja dopustna meja v ZDA. Svinec je zdravju škodljiv, saj se
nalaga v kosteh, mehkih tkivih in v krvi. Z njim so povezane nekatere bolezni živčnega
sistema.
2.3.10 Nevarne organske snovi
Med nevarne organske snovi štejemo benzen, stiren, toluen, ksilen, 1,3 butadien,
aceton, metiletilketon, metilen klorid in vinil klorid. Večina teh snovi nastaja pri kajenju,
proizvodnji čistil, kozmetike in polimernih materialov. Omenjene snovi so zdravju
škodljive, saj povzročajo draženje sluznice, srbenje kože, težave dihalnih poti, poškodbe
živčnega sistema in rakava obolenja.
11
2.3.11 Šest najbolj nevarnih snovi v zraku
Med šest najbolj nevarnih snovi v zraku poleg že omenjenih plinov CO, NO X ,
SO2 in aerosolnega svinca, štejemo še trdne delce s premerom manjšim od 10µm in
reaktivne organske pline. V tabeli 3 si poglejmo emisije teh snovi in deleže posameznih
onesnaževalcev.
Tabela 3: Emisije šestih najbolj nevarnih snovi [1, 70]
Snov
Celotna
Industrijski
Izgorevanje
Izgorevanje
letna
procesi [%]
goriva
pri goriva
pri
emisija
stacionarnih
transportu [%]
virih [%]
[ 10 6 ton]
CO
100
6,9
5,5
76,6
26
3,9
45,4
49,2
NO X
22
8,4
84,7
6,6
SO2
Trdni delci 41
3,9
3,2
2,2
Svinec
0,004
74,1
12,6
13,3
Reaktivni
22
51,2
4,5
39,9
organski
plini
Ostali
viri
skupaj
[%]
11
1,5
0,3
90,7
0
4,4
V povezavi z onesnaževanjem, ki je škodljivo zdravju in ki ga povzroča promet,
so najbolj pomembne emisije CO, dušikovih oksidov in reaktivnih organskih plinov.
12
3.
Ekološki problemi, ki so povezani z onesnaževanjem zraka
V tem poglavju bom opisal dva trenutno najbolj pereča globalna ekološka
problema. To sta pojava ozonskih lukenj in globalnega segrevanja. Predvsem slednji je
zelo povezan z onesnaževanjem, ki ga povzročajo vozila z motorji na notranje
izgorevanje.
3.1 Ozonske luknje
3.1.1 Količina in razporeditev ozona v ozračju
Ozon, ki je zdravju škodljiv, če ga vdihavamo, je zelo koristen plin v stratosferi,
saj absorbira nevarne UV žarke. Ozonska plast je nastala pred približno 400 milijoni leti,
ko so se razvile zelene rastline, ki v ozračje sproščajo kisik.
Največja koncentracija ozona je v stratosferi, kjer dosega blizu 10 ppm. Količina
ozona se meri v tako imenovanih Dobsonovih enotah (DU). Ena DU pomeni
2,7 ⋅ 1016 molekul ozona na kvadratni centimeter. V povprečnem stolpcu Zemljinega
ozračja (od tal do vrha atmosfere) z osnovno ploskvijo velikosti kvadratnega centimetra,
je okoli 293 DU molekul ozona. Če bi ves ta ozon stisnili na normalni zračni tlak, bi bil
stolpec pri temperaturi 0°C visok 2,93 mm.
Na naslednjih dveh grafih si poglejmo količino ozona v ozračju in njegovo
porazdelitev po nadmorski višini.
Graf 4: Količina ozona v ozračju [1, 275]
Na levi strani je prikazan stolpec zraka s ploščino osnovne ploskve 1 cm 2 , na desni strani
pa višina stolpca, ki bi ga imel ozon, če bi ga stisnili na normalni zračni tlak. Višina bi
bila le slabe 3 mm.
13
Graf 5: Porazdelitev deleža in koncentracije ozona po nadmorski višini in primerjava s
koncentracijo zraka [1, 276]
Na ordinati je nadmorska višina označena v kilometrih, na abscisi pa je z rdečo barvo
delež ozona (ppm), s črno pikčasto črto koncentracija ozona ( 10 −12 molekul / cm 3 ).
Iz grafa 5 je razvidno, da je delež ozona v troposferi zanemarljiv, tako da pri
prestrezanju UV svetlobe izrazito prevladuje stratosferski ozon.
Ozonska luknja je območje, kjer je količina ozona v povprečnem stolpcu manjša
od običajne. Zaradi nizkih temperatur in pomanjkanja sončne svetlobe v času polarne
noči, je koncentracija stratosferskega ozona najmanjša na Zemljinih polih. Pri najbolj
izraziti ozonski luknji na Antarktiki je ozona približno šestkrat manj kot je njegovo
povprečje. porazdelitev ozona po zemljepisni širini tekom celega leta je prikazana na
grafu 6.
Graf 6: Porazdelitev ozona po zemljepisni širini tekom celega leta [1, 275]
Na ordinati je zemljepisna širina, na abscisi čas v letu (posamezni meseci), z različnimi
barvami pa so označene koncentracije ozona.
14
3.1.2 Absorpcija UV žarkov v ozračju
Pri prestrezanju škodljivih UV žarkov ni pomemben le ozon. Pravzaprav sta dosti
bolj pomembna kisik in dušik, ki absorbirata skoraj vse fotone z valovnimi dolžinami pod
250 nm. UV-C svetlobo, ki zajema spekter med 250 in 290 nm ter UV-B (290 do 320
nm) najbolj absorbira ozon, UV-A (320 do 380 nm) pa dušikov dioksid in trdni zračni
delci. Naslednji graf je izmed vseh morda še najbolj zgovoren. Prikazuje spekter svetlobe
nad Zemljino atmosfero in spekter svetlobe, ki dospe do tal. Narisan ni celoten spekter,
ampak le območje vidne in UV svetlobe, ki sta v tem kontekstu najbolj zanimiva. Razlika
med intenziteto svetlobe posameznih valovnih dolžin predstavlja učinkovitost zaščite
ozračja.
Graf 7: Porazdelitev intenzitete svetlobe različnih valovnih dolžin na vrhu atmosfere in
na tleh [1, 277]
W
) na abscisi pa valovna dolžina izražena v
m ⋅ µm
µm. Rdeča krivulja prikazuje spekter na vrhu atmosfere (Top Of Atmosphere), modra pa
na tleh.
Na ordinati je intenziteta svetlobe (
2
Na grafu lepo vidimo, da kisik in dušik absorbirata skoraj vso UV svetlobo z
največjo energijo, ozon in ogljikov dioksid pa sta le delno učinkovita. Spekter je bil
posnet v bližini ekvatorja, če pa bi bil bolj ob polu bi bila razlika med krivuljama, zaradi
ozonske luknje manjša.
3.1.3 Chapmanov cikel
Chapmanov cikel ponazarja skupek kemijskih reakcij, preko katerih nastaja
stratosferski ozon. Svetloba z valovno dolžino pod 245 nm razbije molekulo kisika na
dva atoma kisika v osnovnem stanju, pri interakcije svetlobe z valovno dolžino pod 175
nm pa je eden izmed nastalih atomov kisika v vzbujenem stanju. Reakciji ponazarjata
enačbi 4 in 5, ki je zapisana na naslednji strani.
O2 ( g ) + hυ → O( g ) + O( g )
175nm < λ < 245nm
15
(4)
O2 ( g ) + hυ → O( g , vzbujen) + O( g )
λ < 175nm
(5)
Vzbujen atom kisika odda odvečno energijo in pade v osnovno stanje, molekula ozona pa
nato nastane kot sinteza atoma in molekule kisika.
O( g ) + O2 ( g ) → O3 ( g )
(6)
UV svetloba ne omogoča le razpadanja molekul kisika ampak povzroča tudi razpad
ozona.
O3 ( g ) + hυ → O2 ( g ) + O( g )
(7)
Obenem pa ozon razpada tudi zaradi vezave z atomom kisika (enačba 8).
O3 ( g ) + O( g ) → 2O2 ( g )
(8)
Rezultat vseh omenjenih reakcij je ravnovesna količina ozona v stratosferi, ki
učinkovito ščiti zemljo pred škodljivimi fotoni visokih energij. S človekovim posegom v
naravo se je to ravnovesje porušilo, količina ozona pa zmanjšala.
3.1.4 Uničevanje ozona s CFCji
Tako imenovani CFCji (ChloroFluoroCarbons ali po slovensko kloro-floroogljikovodiki) so plini, ki so jih odkrili leta 1928 in dolgo časa intenzivno uporabljali kot
potisni plin v pršilih, v hladilnikih in drugod v kemijski tehnologiji. Sprva so izgledali
zelo nedolžno saj so nadomestili do tedaj uporabljen amoniak, ki je gorljiv in strupen.
Kasneje se je izkazalo, da uničujejo ozonsko plast in danes je njihova uporaba zelo
omejena.
Različni CFCji uničujejo ozon na podoben način. poglejmo si najbolj osnovni
primer molekule CFC-11 ( CFCl 3 ). Pod vplivom UV svetlobe CFC razpade, en izmed
produktov pa je atom klora (enačba 9). Atom klora se spoji z molekulo ozona (enačba
10), nastali klorov monoksid pa reagira z atomom kisika (enačba 11), tako da spet ostane
klorov ion, ki naprej uničuje ozon.
λ < 250nm
(9)
CFCl 3 ( g ) + hυ → CFCl 2 ( g ) + Cl ( g )
Cl ( g ) + O3 ( g ) → ClO( g ) + O2 ( g )
(10)
ClO( g ) + O( g ) → Cl ( g ) + O2 ( g )
(11)
Neto proces lahko zapišemo kot spojitev atoma kisika z molekulo ozona, nastaneta pa
dve molekuli kisika. CFC-11 oziroma klor v reakciji nastopa kot katalizator.
Ena sama molekula CFCja lahko uniči mnogo molekul ozona, zato je njihova
uporaba nadzorovana. Primerjava povprečnih letnih količin ozona na posameznih
zemljepisnih širinah v letih 1979 in 2000 kaže na občutno stanjšanje ozonske plasti na
polih in v pasovih zmernega podnebja (graf 8 na naslednji strani).
16
Graf 8: Porazdelitev letnega povprečja ozona po zemljepisni širini v letih 1979 in 2000
[1, 276]
Na ordinati je količina ozona, na abscisi pa zemljepisna širina. Rdeča črta predstavlja
stanje iz leta 1979, črna pa iz leta 2000.
Z raziskavami znanstvenikov, ozaveščenem javnosti, politikov in proizvajalcev
kemikalij se je poraba CFCjev drastično zmanjšala. Naslednji graf prikazuje prodane
količine CFCjev po različnih področjih v letih 1976 in 1998.
Graf 9: Porazdelitev prodanih CFCjev po različnih področjih v letih 1976 in 1998[1, 288]
Na ordinati je svetovna letna prodaja CFCjev v tisočih metričnih ton, različni stolpci pa
predstavljajo razna področja uporabe. Leva stran graf a se nanaša na CFC-11, desna pa na
CFC-12. Očitno je, da je poraba na vseh področjih od leta 1976 do 1998 zelo padla.
17
3.1.5 Vpliv UV svetlobe na človeka
Izpostavljanje UV svetlobi je zdravju zelo nevarno. Fotoni visokih energij
povzročajo opekline, staranje kože, kožnega raka, škodujejo očem in imunskemu sistemu.
Škodijo tudi živalim in rastlinam. Vplivajo na primer na fitoplankton, in zmanjšujejo
njegovo sposobnost absorpcije ogljikovega dioksida, obenem pa pospešujejo razpad
odmrlih rastlin in s tem emisije novega ogljikovega dioksida v ozračje.
3.2
Globalno segrevanje
3.2.1 Naravna topla greda
Ravnovesna temperatura Zemljinega površja bi bila v odsotnosti ozračja 255K ali
-18 °C. To izračunamo z izenačenjem svetlobnega toka, ki pade na Zemljo s Sonca in
sevanjem Zemlje same. Moč, ki jo seva Sonce lahko z upoštevanjem Stefanovega zakona
za sevanje črnega telesa zapišemo kot:
PSonca = 4πRS2σTS4
(12)
Pri čemer je RS polmer Sonca, σ Stefanova konstanta 5,67 ⋅ 10 −8
Wm 2
in T efektivna
K4
temperatura Sonca (5785 K).
Na zemljo pade del tega svetlobnega toka, ki je sorazmeren s kvadratom
Zemljinega radija in obratno sorazmeren s kvadratom razdalje Zemlja-Sonce. Če
upoštevamo še Zemljin albedo (delež svetlobe, ki se od Zemlje odbije), dobimo za moč,
ki jo Zemlja prejema od Sonca izraz 13.
PnaZemljo = PSonca ⋅
πRZ2
⋅ (1 − A)
4πRZ2 − S
(13)
RZ je polmer Zemlje, RZ − S je oddaljenost Zemlje od Sonca, A pa Zemljin albedo.
Radij Zemlje se ne spreminja, povprečna letna razdalja Zemlja-Sonce je tudi vseskozi
bolj ali manj nespremenjena (malo vpliva le spreminjanje ekcentričnosti orbite, ki niha
med 0,01 in 0,04 s periodo 100000 let). Vpliv človeka se pozna pri albedu. Zaradi
izsekavanja gozdov se zmanjšuje izhlapevanje vode, manj je oblakov, s tem pa se manjša
Zemljin albedo.
Zemlja seva kot črno telo, moč ki jo oddaja pa spet lahko zapišemo po
Stefanovem zakonu.
PZemlje = 4πRZ2 ε Z σ ⋅ TZ4
(14)
18
ε Z je povprečna termalna-infrardeča emisivnost Zemlje, ki je približno 0,9 do 0,98.
Odvisna je od snovi, ki so na površju in od njihove sposobnosti absorpcije IR svetlobe. T
je efektivna temperatura Zemljinega površja.
Ker je temperatura na Zemlji približno v ravnovesju, morata biti prejeta in oddana
toplota enaki. Če izenačimo izraza 13 in 14, dobimo za temperaturo Zemljinega površja:
TZ =
RS2TS4 (1 − A)
4 RZ2 − S ⋅ ε Z
(15)
Pri vrednostih za RS = 696150km , TS = 5785K , A=0,3, RZ − S = 150000000km in ε Z =1,
dobimo temperaturo na Zemljinem površju 255K ali -18 °C.
Razlog, za približno 33 K višjo povprečno temperaturo, je pojav naravne tople
grede. Zemljino ozračje namreč večino vpadle svetlobe prepusti (gre za vidni del
spektra), del IR svetlobe, ki jo Zemlja oddaja pa zadrži. Če so koncentracije toplogrednih
plinov večje od naravnih pa je temperaturna razlika večja od 33 K. Temu pojavu pravimo
globalno segrevanje. Celotno segrevanje planeta je torej odvisno od koncentracij in
lastnosti plinov v ozračju. Prepustnosti posameznih plinov, ki so pomembni za naravno in
umetno segrevanje so zbrane v grafu 10.
Graf 10: Absorpcija različni plinov v IR območju [1,317]
Na ordinati je absorpcija različnih plinov, pri čemer je zgoraj vrednost 0 (popolna
propustnost), spodaj pa vrednost 100% (popolna absorpcija). Na abscisi je valovna
dolžina svetlobe, gre pa za IR območje.
19
3.2.2 Globalno segrevanje
Globalno segrevanje imenujemo segrevanje nad temperaturo, ki je posledica
naravnega pojava tople grede. Če upoštevamo naravne koncentracije plinov, ki prispevajo
k absorpciji IR svetlobe in s tem k segrevanju ozračja, in njihove povečane deleže zaradi
vpliva človeka lahko izračunamo koliko posamezni plini pripomorejo k pojavu tople
grede in nezaželenemu globalnemu segrevanju.
Tabela 4: Vpliv različnih plinov na naravno toplo gredo in globalno segrevanje.[1,317]
Spojina
Sedanji
Naravni delež Umetni delež Vpliv na Vpliv
na
pojav
troposferski
trenutnega
trenutnega
naravni
volumski
volumskega
volumskega
globalnega
pojav
delež [ppm]
segrevanja
deleža [%]
deleža [%]
tople
grede [%] [%]
Vodna
10000
>99
<1
88,9
0
para
Ogljikov
370
75,7
24,3
7,5
46,6
dioksid
Črni ogljik 0,15-0,3 ppt
10
90
0,2
16,4
Metan
1,8
39
61
0,5
14
Ozon
0,02-0,07
50-100
0-50
1,1
11,9
Didušikov 0,314
87,6
12,4
1,5
4,2
monoksid
Metil
0,0006
100
0
0,3
0
klorid
CFC-11
0,00027
0
100
0
1,8
CFC-12
0,00054
0
100
0
4,2
HCFC-22 0,00013
0
100
0
0,6
Ogljikov
0,00010
0
100
0
0,3
tetraklorid
Iz tabele 4 lahko razberemo, da so umetne emisije ogljikovega dioksida največji
vzrok za globalno segrevanje planeta. Ravno emisije ogljikovega dioksida pa so najbolj
izdatne pri transportu (tabela 3 na strani 12). To sili k razmišljanju o novih virih energije
za vozila.
Nasprotniki idej o globalnem segrevanju kot posledici človeškega delovanja, se
pogosto zatekajo k razlagi, da se ekcentričnost Zemljine orbite zmanjšuje, s tem pa se
zmanjšuje tudi povprečna oddaljenost Zemlje od Sonca, kar naj bi razložilo segrevanje.
Razlaga je neutemeljena, saj se ekcentričnost zmanjšuje že več kot 1000 let, temperatura
pa izrazito narašča šele v zadnjem stoletju. Rast temperature si lahko pogledamo na
naslednji strani na grafu 11.
20
Graf 11: Odstopanje od povprečne temperature med leti 1850 in 2000. [1, 324]
Na ordinati je odstopanje od povprečne temperature (povprečje je izračunano na istem
intervalu), na abscisi pa so leta meritev.
Globalno segrevanje bo lahko imelo v prihodnosti katastrofalne posledice.
oglejmo si nekaj najbolj katastrofalnih vplivov.
3.2.3 Posledice globalnega segrevanja
Če se bo segrevanje planeta nenadzorovano nadaljevalo s sedanjim tempom, kot
sedaj, bo močno vplivalo na človeško civilizacijo. Neizbežen bo dvig morske gladine,
sledile bodo lokalne klimatske spremembe, ki bodo močno vplivale na naravne katastrofe
in kmetijstvo, izumrle bodo nekatere živalske in rastlinske vrste, poslabšalo se bo zdravje
ljudi, še dodatno pa se bo tanjšala ozonska plast.
Morska gladina se bo dvignila zaradi dveh vzrokov. Prvi je termično raztezanje
vode pri višjih temperaturah, drugi pa taljenje ledu. Če se stopi ves led, ki je na Zemlji, se
vodna gladina dvigne za 65 m, pri segretju površinske vode (zgornjih 75 m) v vseh
oceanih sveta za 1K pa bi se gladina dvignila za 1,5 cm (upoštevamo volumski raztezek
vode pri 20 °C, ki je 2,07 ⋅ 10 −4 K −1 ). V dvajsetem stoletju se je gladina dvignila približno
10 do 25cm, v enaindvajsetem pa se pričakuje dvig za slab en meter. To bo imelo
katastrofalne posledice za ljudi v nizkih obmorskih deželah.
Modeliranje vremena napoveduje povečanje temperaturnih razlik med različnimi
območji. Na nekaterih predelih se bo povečalo število sušnih dni, drugod bo več dežja in
s tem potencialno več poplav. Kmetijstvo bo preživelo le v predelih, ker letna nihanja
vremena ne bodo prevelika.
Povišanje temperatur bo privedlo do izumrtja živalskih vrst, ki se ne bodo mogle
hitro prilagoditi na nove razmere, ali se preseliti v hladnejše kraje. Z višjimi
temperaturami se bo poslabšalo tudi zdravstveno stanje ljudi, ki slabo prenašajo vročino.
Povečajo se lahko tudi populacije komarjev, ki prenašajo bolezni in podobnih žuželk.
Toplogredni plini večinoma sami po sebi človeku niso nevarni, izjema je le črni ogljik.
Zaradi segrevanja troposfere se ohlaja stratosfera, to pa zmanjšuje koncentracijo
ozona v njej. IR svetloba se, pri pojavu globalnega segrevanja, bolj absorbira v troposferi,
tako da jo manj ostane za absorpcijo v stratosferi, to pa le tam zmanjšuje temperaturo.
Nizka temperatura stratosfere pozitivno vpliva na rast aerosolnih delcev v vodi
raztopljene žveplove kisline. Na površini teh delcev potekajo reakcije, pri katerih se
sprošča klor, le ta pa močno niža koncentracijo ozona (poglavje o CFCjih, stran 16, 17).
21
Predvidene posledice globalnega segrevanja so dovolj resne, da je potrebno nekaj
ukrenit. V 7 poglavju bom predstavil alternativne pogone vozil, s katerimi bi zmanjšali
segrevanje zaradi transporta. Še prej pa si bolj podrobno poglejmo kako strupeni plini
delujejo na živa bitja in kdo so največji onesnaževalci.
22
4.
Vpliv onesnaženega zraka na ljudi, živali in rastline
V tem poglavju si bomo bolj podrobno pogledali, kako strupeni plini kot so
žveplov dioksid, dušikovi oksidi, ozon in ogljikov monoksid, učinkujejo na človeka,
živali in rastline. Kratke vplive sem že opisal v poglavjih (2.3.6, 2.3.7 ,2.3.5 in 2.3.3), na
tem mestu pa bo razlaga bolj podrobna.
4.1 Osnove ekotoksikologije
Ekotoksikologija je interdisciplinarna veda, katere namen je kvantitativni opis
vplivov strupenih snovi na živa bitja. Celoten proces učinkovanja strupov lahko
razdelimo na tri dele. Prvi del zajema količine in koncentracije strupenih snovi v okolju
ter količino (»dozo«), ki jo prejmejo izpostavljena živa bitja. Drugi del opisuje interakcijo
med strupom in molekulami, ki so dovzetne za specifičen strup. Tretji del pa zajema
razlago vplivov sprememb molekularnega nivoja na višje stopnje biološke organizacije.
Če bi poznali tri funkcije, ki opisujejo te tri dele, bi lahko natančno določili posledice
onesnaževanja. Danes še nismo na tako visoki stopnji, vseeno pa lahko razložimo mnoge
mehanizme delovanja strupov in napovemo nekatere posledice. V naslednjih nekaj
poglavjih bom skušal prikazati vpliv štirih pomembnih strupenih plinov na ljudi, živali in
rastline.
4.2 Vpliv žveplovega dioksida na živa bitja
SO2 vstopa v rastlino z difuzijo preko dihalnih por. Na količino plina, ki ga
rastlina absorbira vpliva število por, velikost odprtine, zunanja temperatura, vlažnost
zraka, hitrost vetra in svetlost. Ko SO2 vstopi v liste se hitro razširi po celi rastlini in
negativno vpliva na fotosintezo, dihanje in izhlapevanje vode iz rastline.
Z raztapljanjem SO2 v medcelični tekočini nastajajo sulfidni ( SO32− ) in bisulfidni
( HSO3− ) ioni. Oba iona imata na atomu žvepla prost elektronski par, zaradi katerega se
veže na molekule, ki imajo na posameznih mestih manjše elektronske gostote. Tako
prizadete molekule slabše opravljajo svojo nalogo, to pa vpliva na zdravje rastline. Pri
različnih vrstah rastlin je učinek pri izpostavitvi SO2 drugačen. Manjše razlike v
biokemičnih in fizioloških procesih v rastlinah vplivajo na njihovo dovzetnost za okužbo
z SO2 .
Pri živalih izpostavitev SO2 povzroča draženje oči in zgornjega dihalnega traku,
drugih večjih učinkov pa ni do koncentracij, ki so 50-krat večje od običajnih. 100-kratne
koncentracije lahko povzročijo smrt majhnih živali (miši). Zaradi predhodnih
izpostavitev SO2 so testne živali še prej postale žrtve zastrupitve. To pomeni, da se SO2 v
telesu akumulira in da ne obstaja učinkovit naravni obrambni mehanizem, ki bi reagiral
na povečane koncentracije plina. Negativni učinki na živali se povečujejo z višanjem
vlažnosti.
23
V človeški sluznici se SO2 hitro raztaplja, zato se že pri koncentracijah nad 5 ppm
poveča frekvenca dihanja in zmanjša kapaciteta pljuč. Največje težave pri vdihavanju
SO2 občutijo astmatiki, še posebej pri dihanju skozi usta.
4.3 Vpliv dušikovih oksidov na živa bitja
Dušikovi oksidi v rastline vstopajo preko dihalnih por. Predvsem NO2 je v vodi
dobro topen in formira ione NO3− in NO2− . Redukcija nitrata konkurira asimilaciji ogljika
na koencimu NADPH (NitonamanideAdenine Dinucleotide Phosphate) v kloroplastu.
Iz NO3− nastali amoniak povzroči nabreklost in s tem neučinkovitost kloroplastne
membrane. Zmanjšane aktivnosti fotosinteze so zaznane že pri koncentracijah, ki ne
povzročajo vidne škode.
Pri živalih in ljudeh koncentracije dušikovih oksidov, ki so precej višje od tistih v
okolju, poškodujejo tkivo globoko v pljučih. 24 urno vdihavanje 10 do 25 ppm
NO2 povzroči nastanek koščkov vlaken v dihalnih poteh. Pljučni bronhiji kažejo
hiperplazmo in hipertrofijo, več mesečno vdihavanje pa povzroči smrt manjših živali.
Še večje težave pa NO2 povzroča zaradi tega, ker iz njega nastaja ozon, ki je še
bolj strupen.
4.4 Vpliv troposferskega ozona na živa bitja
Ozon ima na rastline velik negativen vpliv. Spremeni namreč hitrost rasti rastline,
zmanjšuje velikosti, mase, število plodov in vsebnost maščob v plodovih, zmanjšuje rast
korenin in učinkovitost fotosinteze, ter negativno vpliva na notranje dogajanje v rastlinah.
Kemijski vpliv ozona je zelo kompleksen in še ni popolnoma razjasnjen. Jasno pa je, da
ozon oksidira SH skupine, to pa zmanjšuje encimsko aktivnost. Po najnovejših
ugotovitvah 250 ppb ozona po dveh urah opazno zmanjša rastlinsko aktivnost.
Meja za dovoljen delež ozona v zraku je 0,1 ppm. Pri tej vrednosti ozon povzroča
draženje oči, enourna izpostavitev deležem med 0,6 in 0,8 ppm pa že povzroča glavobol,
slabost, anoreksijo in zaprtost dihalnih poti. Pri živalih so izpostavitve koncentracijam
med 0,7 in 0,9 ppm zvišale dovzetnosti za bakterijske infekcije, koncentracije na 1 ppm
pa so že trajno poškodovale pljučne bronhije. Obstajajo tudi utemeljeni razlogi, da ozon
pospešuje staranje. Razlog je v ireverzibilnem procesu sinteze ozona s proteini in
nukleinskimi kislinami.
Pri izpostavitvi ozonu, človek za razliko od vpliva NO2 in SO2 , razvije določeno
stopnjo odpornosti na ozon oziroma se adaptirajo. Ekspozicije 0,3 ppm deležu ozona
omogočajo živalim, da preživijo tudi koncentracije do nekaj ppm.
4.5 Vpliv ogljikovega monoksida na živa bitja
Ogljikov monoksid (CO) nima škodljivega vpliva na rastline, vseeno pa močno
prizadene ljudi in živali. CO se s hemoglobinom (Hb) veže več kot 200-krat bolj
učinkovito kot kisik. Tako se pri velikih koncentracijah CO v pljučih, zmanjša pretok
kisika v krvi. Naravni delež karboksihemoglobina je okoli 0,5%. Odstotno koncentracijo
24
hemoglobina v krvi lahko izračunamo po zelo približni empirični enačbi 16, ki upošteva
učinkovitost prenosa CO iz zraka v kri.
delezCOHbvkrvi = 0,16 ⋅ W zrak (CO) + 0,5
pri čemer je Wzrak (CO) delež CO v zraku izražen v ppm.
(16)
Enačba 16 je res zelo približna, saj niti ne upošteva časa, ki ga človek preživi v
onesnaženem okolju. Prav tako ne upošteva razlik med posamezniki saj sta vsaj teža in
kapaciteta pljuč očitno pomembni.
V tabeli 5 so prikazani vplivi koncentracije COHb v krvi, ki jo izračunamo po
enačbi 16.
Tabela 5: Vpliv različnih koncentracij COHb v krvi [2, 151]
Delež COHb [%]
<1
2-4
5 – 10
20 – 30
30 – 35
35 – 45
>50
Vpliv na človeka
Brez vidnega učinka
Poslabšanje vida
Poslabšanje
vida,
ročnih
spretnosti,
sposobnosti učenja in
opravljanja
intelektualnih nalog.
Povečan pretok krvi in
poslabšanje motoričnih
sposobnosti.
Slab okus, občasno
bruhanje, zmanjšana
moč mišic, predvsem v
nogah.
Zmanjšanje zavednosti
in
povečanje
oslabelosti mišic.
Padec v nezavest in
komo.
Smrt, predvsem pri
mlajših ljudeh.
Iz enačbe 16 in podatkov iz tabele 5 lahko hitro izračunamo, da se neželeni učinki
začnejo pri deležih v zraku nad 3 ppm.
25
5.
Največji onesnaževalci zraka
O največjih onesnaževalcih zraka je bilo že veliko povedanega. V tem poglavju
bom le povzel ugotovitve različnih virov. Šele ko ugotovimo, kdo so največji
onesnaževalci, lahko razmislimo, kako bi rešili trenutno situacijo. Iskanje rešitev za
zmanjšanje onesnaženja pa je namen tega dela.
5.1
Viri posameznih plinov
Predstavil bom 4 tabele, ki prikazujejo posamezne onesnaževalce zraka. Zanimajo
me predvsem že do sedaj omenjeni plini, ki najbolj bremenijo okolje in ljudi. To so CO,
CO2 , dušikovi oksidi in žveplovi oksidi. V naslednji tabeli so prikazani viri CO
Tabela 6: Globalni viri CO [3, 52]
Delež [%]
Naravni / umetni viri / Vir
Emisija [ 10 6 ton na leto]
vsota posameznih virov
Naravni viri
Oceani
95
1
Rastline
50
3
Oksidacija metana
650
20
Oksidacija višjih ogljikovodikov 850
25
Gorenje biomase
1000
30
Σ
VSOTA NARAVNIH VIROV 2645
79
Umetni viri
Kurjenje drv
60
2
Gorenje fosilnih goriv
640
19
Σ
VSOTA UMETNIH VIROV
700
21
Σ
SKUPAJ
3345
100
Podatki v tabeli so približni in lahko odstopajo tudi za faktor 2. Navedene so objektivno
najbolj realne vrednosti.
V zgornji tabeli so prikazani globalni torej svetovni viri CO. Če se omejimo na
posamezne razvite države, pa je situacija precej drugačna. Ker CO v zraku ostane v
povprečju okoli 60 dni, preden naprej ne oksidira v CO2 , njegova koncentracija ni
enakomerna ampak je bistveno večja v bolj onesnaženih območjih. V primeru države
Nemčije, naravni viri predstavljajo le 24%, umetni pa preostalih 76% vseh emisij CO.
Med umetnimi viri predstavlja transport dobro polovico virov CO. Poglejmo si še
povzročitelje emisij CO2 .
26
Tabela 7: Globalni vir CO2 [3, 55]
Naravni / umetni viri / Vir
Delež [%]
Emisija [ 10 9 ton na leto]
vsota posameznih virov
Naravni viri
Oceani
385
45
Rastline
227
26
Prst
227
26
Gorenje biomase
9
1
Σ
VSOTA NARAVNIH VIROV 848
98
Umetni viri
Kurjenje drv
2
<1
Gorenje fosilnih goriv
19
2
Σ
VSOTA UMETNIH VIROV
21
2
Σ
SKUPAJ
869
100
Podatki v tabeli so približni in lahko odstopajo tudi za faktor 2. Navedene so objektivno
najbolj realne vrednosti.
Tudi v primeru emisij CO2 je situacija v evropskih in drugih razvitih državah
podobna kot pri CO. V Nemčiji, za katero imam natančne podatke, sta deleža umetnih in
naravnih virov približno enaka, ne pa v razmerju 50, kot velja globalno in kakor bi lahko
sklepali iz zgornje tabele. Emisije CO2 je potrebno zmanjšati predvsem zato, ker najbolj
vplivajo na globalno segrevanje (stran 20, tabela 4). V naslednji tabeli pa si poglejmo še
emisije dušikovih oksidov, ki jih označujemo s skupno oznako NO X .
Tabela 8: Globalne emisije NO X [3, 57]
Naravni / umetni viri / Vir
Delež [%]
Emisija [ 10 6 ton na leto]
vsota posameznih virov
Naravni viri
Gorenje biomase
39,4
22
Strele
26,3
15
Prst
26,3
15
Minerali
6,5
4
18,1
10
Oksidacija NH 3
Oceani
1,6
1
Iz stratosfere
1,6
1
Σ
VSOTA NARAVNIH VIROV 119,8
68
Umetni viri
Gorenje fosilnih goriv
57
32
Σ
SKUPAJ
176,8
100
Podatki v tabeli so približni in lahko odstopajo tudi za faktor 2. Navedene so objektivno
najbolj realne vrednosti.
V primeru NO X umetni viri globalno že skoraj dosegajo naravne. V razvitih
območjih je umetni prispevek emisij NO X še večji. Dosega tudi čez 90%, pri čemer z več
kot polovičnim deležem prednjači promet. Dušikovi oksidi so zelo pomembni tudi zaradi
vpliva pri nastanku troposferskega ozona (poglavje 2.3.5 na strani 9).
27
Emisije žveplovega dioksida ( SO2 ), so posledica žveplovih spojin, ki jih
vsebujejo fosilna goriva. Naslednja tabela prikazuje naravne in umetne vire SO2 .
Tabela 9: Viri SO2 [3, 60]
Naravni / umetni viri / Vir
Emisija [ 10 6 ton na leto] Delež [%]
vsota posameznih virov
Naravni viri
Vulkanski izbruhi
40
10
14
Oceani(oksidacija H 2 S in (CH 3 ) 2 S ) 56
Obalna območja
Tropski gozd
Močvirja in riževa polja
Gorenje biomase
Σ
VSOTA NARAVNIH VIROV
Umetni viri
Gorenje premoga
Gorenje nafte
Izboljšanje rude (rafinerije)
Ostalo
Σ
VSOTA UMETNIH VIROV
Σ
SKUPAJ
Podatki v tabeli so približni in lahko odstopajo tudi za
najbolj realne vrednosti.
15
4
25
6
44
11
6
2
186
47
128
32
52
13
22
6
6
2
208
53
394
100
faktor 2. Navedene so objektivno
Pri emisijah SO2 v urbanih območjih umetni viri obsegajo okoli 99% vseh emisij.
Največji onesnaževalci termoelektrarne in toplarne, ki uporabljajo premog in podobna
fosilna goriva. Promet predstavlja manjši delež, okoli 3% [3, 61].
5.2
Ocene emisij v Sloveniji
Podatki o količini in izvorih plinov v Sloveniji za leto 1996 so predstavljeni v
tabeli 10.
Tabela 10: Ocene emisij v Sloveniji leta 1996 [19, 21]
28
Iz podatkov v tabeli 10 na prejšnji strani lahko sklepamo da je cestni promet, ki
nas v tem seminarju najbolj zanima, odgovoren predvsem za emisije CO, CO2 in
dušikovih oksidov.
Poglejmo si še spreminjanje količine in deleže različnih onesnaževalcev pri
posameznih plinih v zadnjih letih prejšnjega stoletja. (Prejšnja tabela je vsebovala le
podatke za leto 1996)
Graf 12: Porazdelitev emisij SO2 iz različnih virov [19,22]
Iz podatkov na grafu 12 lahko ugotovimo, da so emisije SO2 dosegle vrh leta 1983, po
uredbi o kvaliteti tekočih goriv leta 1995, pa so se zelo zmanjšale. Deleži posameznih
onesnaževalcev se niso bistveno spreminjali
Graf 13: Porazdelitev emisij NO x iz različnih virov [19,22]
Iz podatkov na grafu 13 lahko ugotovimo, da emisije NO x vztrajno rastejo, na rast pa
najbolj vpliva rast emisij v prometu. Industrija svoje emisije celo zmanjšuje.
29
Graf 14: Porazdelitev emisij CO iz različnih virov [19,23]
Tudi emisije CO rastejo in spet je glavni krivec promet.
Graf 15: Porazdelitev emisij CO2 iz različnih virov [19,24]
Skupne emisije CO2 se ne spreminjajo veliko, delež prometa pa se povečuje.
30
Graf 16: Emisije svinca v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja [19, 24]
Po zmanjšanju uporabe osvinčenega bencina in uredbe o kakovosti tekočih goriv
glede vsebnosti žvepla, svinca in benzena (Ur. l. RS 8/95), so se emisije svinca v letu
1995 zelo zmanjšale.
5.3
Povzetek o vplivu prometa
Ker me v tem seminarju najbolj zanima vpliv prometa na onesnaževanje bom
izpostavil njegov delež pri posameznih plinih.
Pri globalnih emisijah CO promet predstavlja 21%, pri lokalnih (v naseljenih
območjih) pa dobro polovico. Za emisije CO2 v globalnem smislu, lahko promet
obdolžimo le za 2%, lokalno gledano pa spet za dobro polovico. Ravno tolikšen delež
ima tudi pri sproščanju dušikovih oksidov, v tem primeru je tudi globalni delež okoli 1/3.
Za emisije SO2 pa prometa res ne moremo kriviti, saj je njegov delež »le« okoli 3%, delež
termoelektrarn in toplarn pa znaša 45% vseh virov (naravnih in umetnih). Omenjene
deleže si poglejmo še v bolj pregledni tabeli 11.
Tabela 11: Delež emisij prometa (globalno in lokalno)
Plin
Globalni delež emisij prometa [%] Lokalni delež emisij prometa [%]
CO
21
>50
2
>50
CO2
>50
NO X 32
3
SO2 1,5
Vrednosti v tabeli so okvirne [3, povzetek 3. poglavja]
Glede na podatke v tabeli 11 lahko sklepamo naslednje. Promet bistveno vpliva
predvsem na lokalno koncentracijo zdravju škodljivih plinov, globalno gledano pa njegov
vpliv Zemljo vleče iz dolgotrajnega ravnovesja. Posledice onesnaževanja so zelo
kompleksne, saj emisije in drugi posegi v okolje (gradnja cest in podobno), spreminjajo
naravo in vplivajo na rastlinstvo, kateremu se imamo zahvaliti za ozračje, ki omogoča
življenje. Nujno je torej zmanjšati deleže škodljivih plinov pri umetnih virih.
31
5.4
Ocena emisij CO2 v prometu
V literaturi sem našel precej različne podatke o vplivu prometa na emisije CO2 ,
zato je najbolje, da kar sami izračunamo koliko promet dejansko vpliva. Naravni viri
vsako leto v ozračje sprostijo okoli 850 GT (Giga ton) CO2 [3, 55]. Iz enega kilograma
bencina ali nafte v avtomobilu pa nastane 3,1 kg CO2 [3,6]. Določiti je potrebno »le« še
porabo goriva v prometu. Podatki za to so različni, za osnovno oceno pa bodo
zadostovali. Poraba nafte na bi bila v letu 1994 zadostovala za 310 eksajoulov energije
[12, 327] (eksajoul je 1018 J). Če ocenimo, da se je 2/3 te energije porabilo v prometu in
da ima 1 kg nafte energijsko gostoto 43 MJ/kg, to pomeni da se je porabilo 4.8 ⋅ 1012 kg
nafte, ob tem pa se je v ozračje sprostilo 14 GT CO2 . Tako res dobimo delež prometa
1,7%, kar je skoraj tako kot v tabeli 11 (tam je 2%). Omenjena poraba nafte bi pomenila,
da na vsakega človeka pride približno slaba tona goriva na leto. To je kar smiselno. Za
nas, ki živimo v razvitem svetu je to skoraj že res (20 krat na leto po 50 l bencina), ostalo
pa prinese še tovorni transport (ladje, letala…)
32
6.
Onesnaževanja vozil z motorji na notranje izgorevanje
V tem poglavju bom predstavil emisije, ki nastajajo v bencinskih in dizelskih
motorjih ter pri električnih vozilih. Zanima me, kako in za koliko bi lahko zmanjšali
obremenitve okolja.
6.1
Idealni izpuhi bencinskih in dizelskih motorjev
Pri obravnavi motorjev se bom omejil na analizo emisij v odvisnosti od količine
in vrste goriva. Natančno delovanje motorjev ni tema tega seminarja. Pomembni so le
izkoristki in emisije.
V bencinskem motorju se gorivo meša z zrakom, nato se ob prisotnosti iskre vžge,
tako se poveča tlak, ki premika gibljive dele motorja. Kemijska energija se je tako
pretvorila v mehansko. Spajanje goriva z zrakom in nastale produkte lahko zapišemo z
enačbo 17.
1kg ( gorivo) + 14,9kg ( zrak ) → 3,1kg (CO2 ) + 1,3kg ( H 2 O) + 11,5kg ( N 2 ) + 44MJ (toplota )
(enačba 17)
Upoštevali smo sestavo zraka in predpostavili popolno izgorevanje. V resnici
nastane tudi nekaj CO in drugih plinov, katerih sestavine so v gorivu (dušikovi oksidi,
žveplovi oksidi in podobno).
Pri dizelskem motorju je situacija malo drugačna, saj je mešanica zraka in goriva
bolj »redka«, kar pomeni, da je zraka več. Tako ne zgori ves zrak ampak ga nekaj ostane.
Opisano reakcijo prikazuje enačba 18.
1kg ( gorivo) + 43,7kg ( zrak ) → 3,1kg (CO2 ) + 1,3kg ( H 2 O) + 6,6kg (O2 ) + 33,7kg ( N 2 ) + 43MJ (toplota)
(18)
Poleg omenjenih izpuhov pa ostanejo še sledi ostalih plinov v gorivu in drobni
trdni delci, s premerom od stotine mikrona do nekaj mikronov, ki povzročajo veliko
zdravstvenih težav ljudem in živalim.
6.2
Izpuhi motornih vozil v praksi
V prejšnjih poglavjih sem opisal idealne izpuhe vozil, v praksi pa so v izpušni
cevi prisotni tudi mnogi drugi, tudi škodljivi plini. Le ti so posledica nečistega goriva in
nepopolnega izgorevanja goriva v motorju. Naslednja tabela prikazuje emisije bencinskih
in dizelskih motorjev.
33
Tabela 12: Tipične emisije bencinskega motorja brez katalizatorja in dizelskega motorja
[3, strani 7 in 8]
Plin
Bencinski motor
Emisije na Masni delež
kilogram
glede na vse
goriva [kg]
emisije [%]
2,71
17
1,33
8,3
0,175
1,1
11,5
72
Primerjava
Dizelski motor
Emisije
na
kilogram
goriva [kg]
3,147
1,170
6,68
33,54
Masni delež
glede na vse
emisije [%]
7,1
2,6
15
75,2
++ -CO2
Nepomembno
H 2O
Nepomembno
O2
Nepomembno
N2
−3
−2
-+
H2
5,6 ⋅ 10
3,5 ⋅ 10
9 ⋅ 10 −4
2 ⋅ 10 −3
Σ
98,4
99,9
−2
CO
9,224
1,4
--- +++
3 ⋅ 10 −2
1,3 ⋅ 10
HC
0,13
-+
2,0 ⋅ 10 −2
3,1 ⋅ 10 −3
7 ⋅ 10 −3
0,11
-+
NO X
1,7 ⋅ 10 −2
1,3 ⋅ 10 −2
3 ⋅ 10 −2
Σ
1,64
0,067
−4
−3
−3
+
SO2
3,3 ⋅ 10
2,0 ⋅ 10
4,4 ⋅ 10
1 ⋅ 10 −2
Sulfati
+2,3 ⋅ 10 −5
1,5 ⋅ 10 −4
7,2 ⋅ 10 −5
1,6 ⋅ 10 −4
+Aldehidi 3,4 ⋅ 10 −4
2,0 ⋅ 10 −3
6,3 ⋅ 10 −4
1,4 ⋅ 10 −3
Amoniak 1,5 ⋅ 10 −5
==
1,0 ⋅ 10 −4
2,4 ⋅ 10 −5
5 ⋅ 10 −5
-- ++
/
/
Svinec
6,0 ⋅ 10 −5
1,0 ⋅ 10 −5
−
3
Trdni
/
/
++++ ---2,5 ⋅ 10
6 ⋅ 10 −3
delci
Tabelo bi lahko nadaljevali še za veliko drugih spojin, vendar so njihovi deleži
zanemarljivi in nepomembni. Vrednosti v tabeli so točne v okviru napake nekaj
odstotkov. Oznaka / pomeni da ni podatka in da je vrednost zanemarljiva, s +, = in – pa
so označene prednosti in slabosti posameznih tipov motorjev. Levi znak se nanaša na
bencinski motor, desni pa na dizelski. Več ko je znakov, večja in pomembnejša je razlika.
Iz podatkov v tabeli 12 lahko sklepamo, da je prednost bencinskih motorjev
predvsem v čistoči izpuhov glede vsebnosti trdnih delcev, dizli pa imajo nižje emisije CO
in svinca. Upoštevati je potrebno tudi dejstvo, da je izkoristek dizelskega motorja za
približno polovico večji kot bencinskega, zato pri določeni prevoženi razdalji porabi manj
goriva. Še bolj učinkovita pa so električna vozila, ki jih bom predstavil v naslednjem
poglavju.
34
7
Emisije električnih vozil
7.1
Gorivne celice
Pri električnih vozilih kemijsko energijo uskladiščenega goriva (običajno vodika)
pretvorimo v električno. To omogoča gorivna celica. Tipična zgradba gorivne celice je
predstavljena na sliki 1.
Slika 1: Zgradba tipične gorivne celice [16, 297]
Zunanja elementa imenujemo vmesniki (flow field), po njih dovajamo gorivo oziroma
oksidant. Porozni strukturi, ki sledita sta elektrodi. Kemijske reakcije potekajo na
trifaznih mejah (plin, elektroda, elektrolit), zato je pomembno, da je efektivna površina
elektrod čim večja. Elektrode so prevlečene s tanko plastjo katalizatorja, za katerega se
običajno uporablja platina. Notranja struktura na shemi je elektrolit oziroma trdna
membrana, ki prevaja protone (Proton Exchange Membrane). Na shemi sta označeni tudi
reakciji, ki potekata na elektrodah.
Najbolj razširjene gorivne celice se imenujejo Proton Exchange Membrane Fuel
Cells (PEFC), ki delujejo pri temperaturah okoli 60 °C. Kot gorivo vodik, kisik iz zraka
pa kot oksidant. Reakciji na anodi in katodi sta v tem primeru:
2 H 2 O + H 2 → 2 H 3 O + + 2e −
(19)
1
in O2 + 2 H 3O + + 2e − → 3H 2 O
(20)
2
Skupno reakcijo pa lahko zapišemo kot:
1
H 2 + O2 → H 2 O
(21)
2
Kot je razvidno iz zgornjih enačb, ne dobimo nobenih drugih emisij, kot vodne
pare, ki ni okolju in zdravju škodljiva.
35
Poznamo tudi druge tipe gorivnih celic med katerimi so najbolj zanimive gorivne
celice s trdnim oksidom (Solid Oxide Fuel Cells - SOFC). Te delujejo pri precej višjih
temperaturah, okoli 600-800 °C. njihov izkoristek je tudi do 65%, obenem pa jih lahko
uporabljamo tudi kot grelce za vodo, saj z odvečno toploto lahko segrevamo vodo. Ta tip
gorivnih celic je zelo primeren za elektrarne, termoelektrarne in nekatere tovarne za
proizvod kemikalij. V avtomobilski industriji bi se lahko uporabljale le v večjih sistemih,
kot so tovornjaki in avtobusi. Njihova prednost je v sposobnosti uporabe različnih goriv,
tudi težjih ogljikovodikov. Pri visokih temperaturah lahko reforming naredijo kar v
gorivni celici sami. S tem pa po drugi strani pridemo do emisij CO2 . Le ta bi nastal kot
produkt kemijskih reakcij. Če bi vodo kondenzirali bi se ga dalo na koncu izpušne cevi
zajeti in shraniti ter deponirati v opuščenih vrtinah ob nahajališčih zemeljskega plina.
7.2
Težave in prednosti električnih vozil
Največje težave pri uveljavitvi električnih vozil izvirajo iz dejstva, da je
skladiščenje goriva zelo zahtevno. Za delovanje PEFC potrebujemo vodik. Le ta ima kot
plin tudi pod visokim tlakom (700 barov) nizko energijsko gostoto, posode v katere ga
shranjujemo pa so tudi zelo težke. Obstajajo drugi alternativni viri skladiščenja. Lahko bi
ga skladiščili v tekoči obliki. Prva možnost je utekočinjanje, ki pa je drago (nizke
temperature – 20 K), poleg tega pa tudi tehnično zelo zahtevno. Druga možnost je
uporaba obstoječih ogljikovodikov in pretvorba v vodik na vozilih samih. Ta možnost je
v bližnji prihodnosti bolj zanimiva, saj je tehnično manj zahtevna. Še posebno dobro se
obnese metanol, ki ga lahko reformiramo v vodik pri dobrih 200°C. Pri tem pa spet
nastanejo emisije CO2 . Le te so manjše že zaradi tega, ker so gorivne celice bolj
učinkovite, kot motorji na notranje izgorevanje (graf 17), obstaja pa tudi možnost zajetja
CO2 in kasnejšega deponiranja.
Graf 17: Primerjava izkoristkov gorivnih celic in obstoječih motorjev [14, 29]
Na grafu 17 so prikazani izkoristki gorivnih celic, dizelskih in bencinskih motorjev ter
plinskih turbin, pri različnih obratovalnih močeh.
36
7.3
Povzetek o emisijah električnih vozil
Vozila brez emisij (zero emission vehicles) bi uporabljala vodik, ki bi ga pridobili
z elektrolizo vode s pomočjo sončne energije. Gorivne celice tipa PEFC (polimerni
elektrolit) bi ta vodik in kisik iz zraka združili v vodo, nastala električna energija pa bi
poganjala elektromotor. Izkoristek celotnega sistema bi bil prek 40%, če upoštevamo
dobrih 50% izkoristek gorivne celice, 90% izkoristek inverterja (pretvornik enosmernega
toka v izmeničnega) ter 90% izkoristek elektromotorja. Tovrsten pristop se bo uveljavil
kasneje, saj pridobivanje vodika z elektrolizo trenutno še ne bi bilo komercialno uspešno.
Danes so dosti bliže gorivne celice, ki uporabljajo tekoče ogljikovodike in jih
same ali pa s pomočjo predhodno vezanih reformerjev pretvarjajo v vodik in CO2 . Tudi
v teh primerih predstavljajo električna vozila veliko prednost pri obremenjevanju okolja,
najbolj očitne prednosti so:
•
•
•
•
Boljši izkoristek in s tem manjša poraba goriva
Koncentriran CO2 na izhodu in možnost njegovega skladiščenja
Popolna čistoča, glede drugih škodljivih sestavin
Možnost pridobivanja vodika s popolnoma čisto elektrolizo
37
8.
Tehnična, ekološka in ekonomska primerjava obstoječih in
električnih vozil
Na tem mestu bom primerjal različne karakteristike obstoječih vozil z motorji na
notranje izgorevanje in alternativnih električnih vozil. Najprej me bodo zanimale
tehnične razlike, nato razlike pri vplivu na okolje in končno tudi zelo pomemben
ekonomski vidik.
8.1
Tehnične karakteristike vozil z motorji na notranje izgorevanje in
električnih vozil
8.1.1
Izkoristek
8.1.1.1
Izkoristek bencinskih motorjev
Najprej si poglejmo primerjavo izkoristkov obstoječih bencinskih motorjev pri
mestni vožnji. Tu se obnesejo najslabše. Kot predpostavke uporabimo:
• Masa vozila (m) :1000 kg
• Površina sprednje ploskve vozila (S) : 2 m 2
• Koeficient upora ( kupora ): 0.4
•
Koeficient trenja med pnevmatikami in cesto ( k trenja ): 0.015
•
•
Poraba pri mestni vožnji: 8 l/100km
Poraba pri relacijski vožnji: 6 l/100km
Pri mestni vožnji upoštevamo mednarodno (evropsko) priznani režim vožnje, ki
ga označuje kratica ECE15 [32]. Odvisnost hitrosti od časa pri tem režimu prikazuje
naslednji graf:
Graf 18: Hitrost v odvisnosti od časa pri standardnemu mestnemu voznemu ciklu ECE15
[32]
Zgornji graf prikazuje tri pospeševanja in tri zaviranja. Približno tako naj bi v povprečju
izgledala mestna vožnja.
38
Z upoštevanjem podatkov za povprečni cikel vožnje in s primernimi podatki o
avtomobilu (omenjeni zgoraj) lahko izračunamo delo, ki se porabi za premagovanje
različnih sil in spreminjanje kinetične energije vozila med vožnjo. Pri mestni vožnji se
izkaže, da je najpomembnejša sila trenja med pnevmatikami in podlago, približno enako
prispeva sila motorja, ki pospešuje vozilo, zračni upor pa je približno 6 krat manjši.
Z integriranjem hitrosti po času (podatki z grafa 18) dobimo za prevoženo
razdaljo 984m. Delo za premagovanje upora in trenja izračunamo po naslednjih enačbah:
t1
Azračra _ upor =
1
∫2k
upora
⋅ ρ ⋅ S ⋅ v 3 dt
(22)
t0
(23)
Atrenje = s ⋅ k trenja ⋅ m ⋅ g
t0 in t1 sta začetni in končni čas vožnje, ρ je gostota zraka, v hitrost vozila v danem
trenutku, g pa gravitacijski pospešek. Ostale količine so definirane zgoraj.
Energija, ki se porabi za pospeševanje pa je kar vsota treh sprememb kinetične
energije pri treh pospeševanjih.
Za delo pri premagovanju zračnega upora dobimo približno 25kJ, za
premagovanje trenja 149kJ, spremembe kinetične energije pa skupaj znašajo 145kJ.
Če upoštevamo povprečno porabo 8l/100km oziroma 6kg goriva na 100km
(gostota bencina je zelo blizu 0.75kg/l) in energijsko vsebnost kilograma bencina 44MJ,
lahko izračunamo, da avtomobil v enem ciklu potroši 0.059kg bencina oziroma 2.60MJ
energije. Ob 100% izkoristku bi potreboval le 319kJ, torej je izkoristek bencinskega
motorja pri mestni vožnji le 12%.
Malo ugodnejša je situacija pri relacijski vožnji. Standardi graf hitrosti v
odvisnosti od časa (z oznako EUDC) prikazuje graf 19:
Graf 19: Hitrosti v odvisnosti od časa pri relacijski vožnji (EUDC) [32]
Z enakimi podatki o vozilu in z enakimi predpostavkami dobimo v tem primeru naslednje
rezultate:
prevožena razdalja: 6742m
39
delo proti zračnemu uporu: 914kJ
delo proti sili trenja: 1011kJ
sprememba kinetične energije: 389kJ
Pri temu ciklu upoštevamo porabo pri relacijski vožnji (6 l/100km), torej porabimo 0.30
kg bencina oziroma 13.3MJ energije. Delo, ki bi ga porabili ob 100% izkoristku, bi bilo
le 2.314MJ, torej gre 17% energije v koristno delo, ostalo pa v neuporabno toploto.
8.1.1.2
Izkoristek električnih vozil in regenerativno zaviranje
Tako smo ocenili izkoristek bencinskega motorja pri mestni vožnji na 12%, pri
relacijski pa na 17%. V praksi se vrednosti seveda lahko razlikujejo, sta pa to dobri oceni
za avtomobil srednjega razreda. Pri električnih vozilih pričakujemo višje izkoristke.
Izkoristek lahko v prvem približku izračunamo kot produkt zaporedno vezanih sistemov:
•
•
•
Gorivna celica, ki pretvarja kemijsko energijo goriva v električno (enosmerni
električni tok). (60% izkoristek)
Inverter, ki spreminja enosmerni električni tok v izmeničnega. (90% izkoristek)
Elektromotor, ki električno energijo spreminja v mehansko, mehansko (pri
zaviranju) pa v električno. (80-90% izkoristzek)
Obenem pa upoštevamo še regenerativno zaviranje, ki omogoča, da elektromotor ob
zaviranju deluje kot generator in polni sekundarno baterijo. Ta baterija lahko prejeto
električno delo skladišči in ga kasneje vrne elektromotorju. Podobni sistem bi lahko
prilagodili tudi za obstoječa vozila z motorji na notranje izgorevanje, vendar bi tako
običajnemu motorju dodali še električnega, kar bi bil velik dodatek k teži in prostornini
motorja.
Izkoristek gorivne celice lahko vzamemo za približno 60%, pri čemer predvidevamo,
da se bo v prihodnosti še povečal, saj gre za relativno novo tehnologijo. Najboljši
inverterji imajo izkoristke okoli 90% in tudi za njih lahko tudi pričakujemo izboljšanje.
Primeren elektromotor (primeren navor in masa) ima izkoristek v nominalni delovni točki
dobrih 90% (relacijska vožnja) pri pospeševanjih pa ima na zelo širokem območju
izkoristek 80% do 90%, tako da lahko v tem primeru vzamemo srednjo vrednost okoli
85%. Elektromotorji so že dovolj razviti, tako da v bližnji prihodnosti ne pričakujemo
bistvenega napredka v smislu izkoristka, napredek bo predvsem na področju specifičnega
navora (navor na enoto mase).
Tako izračunan izkoristek je 45%, kar je približno 3 krat več, kot pri bencinskem
motorju. Upoštevati pa moramo še možnost regenerativnega zaviranja, kar pomeni, da je
dejanski izkoristek lahko še večji. Pri računanju različnih količin pri mestni vožnji smo
ugotovili, da se za spremembe kinetične energije vozila porabi približno toliko energije,
kot za premagovanje sile trenja, zračni upor pa je zanemarljiv. Pri običajnih, počasnih
zaviranjih bi elektromotor deloval kot generator in preko inverterja polnil baterijo. Tako
se lahko del energije, ki se je porabila za pospeševanje povrne. Energija, ki se sprosti pri
zaviranju je enaka spremembi kinetične energije vozila in jo je torej približno polovica
vse koristno porabljene energije. Ta energija je enaka produktu izkoristka sistema (45%)
in deleža energije, ki se porabi za pospesevanje. Vse te energije sicer ne moremo
ponovno uporabiti, ker pride do izgub tudi pri shranjevanju te energije. Delež energije
40
zaviranja, ki se lahko porabi pa je enak produktu izkoristkov elektromotorja(85%),
inverterja(90%) in baterije (70%). Ta delež je 53%. Delež celotne energije goriva, ki jo z
regenerativnim deležem prihranimo je torej produkt ene polovice, 45% in 53%. To znese
12%. Ker to energijo lahko uporabimo še enkrat, izkoristek ni le 45% ampak
100%
45% ⋅
, kar je 51%. Pri regenerativnem zaviranju gre pravzaprav za to, da
100% − 12%
energijo, ki smo jo že porabili za pospeševanje, lahko uporabimo znova. Pri naših
predpostavkah smo s tem povišali izkoristek sistema iz 45% na 51%.
Na izkoristek pri relacijski vožnji regenerativno zaviranje ne vpliva bistveno, ker je
delež energije, ki se porabi za pospeševanje precej manjši, kot pri mestni vožnji. Res pa
je tudi, da pri hitrem zaviranju elektromotor ne more »posrkati« vse energije vozila in se
nekaj dela porabi tudi na klasičnih zavorah. Morda tudi baterije niso najbolj primerne za
prestrezanje energije regenerativnega zaviranja. Baterij namreč ne moremo polniti
prehitro. V ta namen strokovnjaki razvijajo tako imenovane ultrakondenzatorje, ki imajo
precej večje specifične moči, kot baterije. Njihova slabost pa je nizka energijska gostota
oziroma velika masa.
Izračunali smo torej, da je izkoristek električnega vozila pri mestni vožnji približno
4.25 krat večji, kot izkoristek bencinskega avtomobila (51% proti 12%). Pri relacijski
vožnji pa je razlika manjša, a še vedno velika (41% proti 17%).
Motorji na notranje izgorevanje imajo slabši izkoristek zaradi toplotnih izgub, ki so
posledica nizkih delovnih temperatur. Njihov izkoristek je omejen že z izkoristkom
idealnega Carnotovega stroja. Prednost električnih avtomobilov pa je tudi v uporabi
direktnega pogona, pri katerem so motorji vgrajeni direktno v kolesih, tako da ne pride do
nobenih mehanskih izgub pri prenosih.
V prilogi (na koncu seminarja) so prikazani grafi moči, ki je potrebna za
premagovanje zračnega upora, trenja in za pospeševanje vozila pri mestnem in
relacijskem voznem ciklu. Slabost bencinskih vozil je tem, da imajo motorje prilagojene
za moči, ki daleč presegajo povprečno moč vozila. Pri električnem vozilu pa lahko
povprečno moč dosežemo z gorivno celico, kratkotrajne potrebe po večjih močeh pa
dosežemo z uporabo dodatnih baterij in ultrakondenzatorjev.
8.1.2 Moč, hitrost, pospeški in doseg
Moč električnih vozil bo lahko enaka ali večja kot pri sedanjih bencinskih ali
dizelskih. Elektromotorji, kakršni se bodo vgrajevali v električna vozila lahko pri
visokem izkoristku (85% in več) dosegajo visoke moči. Vir energije bodo gorivne celice,
in sekundarne baterije, ter morda tudi ultra kondenzatorji. Gorivne celice bodo polnile
sekundarno baterijo, iz te bo energija prehajala na elektromotor. S tem bomo dosegli
optimalno učinkovitost gorivne celice, ki je dosežena pri specifičnih obremenitvah. Poleg
te energije se bo v bateriji shranjevala tudi energija regenerativnega zaviranja. Pri
največjih obremenitvah vozila (pospeški, vožnja v klanec,…) pa bosta delovali gorivna
celica in baterija, obenem pa morda tudi ultrakondenzatorji (zelo učinkoviti
kondenzatorji, v katerih bo shranjena električna energija). Vse omenjene komponente so
glede mase in prostornine primerljive z obstoječimi bencinskimi komponentami.
41
Tako kot moči, bodo tudi hitrosti električnih vozil zadovoljive. Ker je sama
tehnologija zasnovana zelo ekonomično in okolju prijazno bo napredek viden tudi pri
aerodinamičnosti vozil. Koeficienti upora bodo manjši od sedanjih, zato bodo moči, ki so
potrebne za doseganje velikih hitrosti, manjše, s tem pa bodo manjše tudi izgube.
Pospeški so odvisni predvsem od navora in mase vozil. Navor specifični navori
elektromotorjev so boljši od bencinskih, mase vozil pa se bodo z uporabo lažjih in
kvalitetnejših materialov tudi manjšale.
Trenutno je največji problem električnih vozil v njihovem dosegu. Kljub temu, da
imajo izkoristke precej boljše od bencinskih motorjev, je energijska gostota goriva
(vodika) toliko manjša, da je resna težava zagotoviti večje količine goriva. Ta težava bo
podrobno predstavljena v naslednjem poglavju.
8.1.3 Tehnološke težave električnih vozil
Kot sem že omenil je trenutno največja težava električnih vozil njihova oskrba z
gorivom. Najprej si poglejmo podatke o vodiku, nato primerjavo z drugimi gorivi, na
koncu pa še nekaj tipičnih prototipnih posod za shranjevanje vodika pod pritiskom.
Tabela 13: podatki o vodiku [16, 84]
700
Tlak [bar]
1,0132 200 400
Temperatura [K]
273,15 300 300
300
3
0,09
14,5 25,95 39,55
Gostota [ kg / m ]
Gostota energije [MJ/kg] 120
120 120
Gostota energije [MJ/l]
0,0108 1,74 3,11
120
4,75
V primerjavi z drugimi gorivi je masna energijska gostota vodika sicer precej
večja (približno 3 krat), volumska gostota vodika pa precej manjša tudi v stisnjenem ali
tekočem stanju. Naslednji graf prikazuje specifične energijske gostote rezličnih goriv v
tekočem agregatnem stanju.
Graf 21: Energijska gostota posameznih goriv [16, 90]
Prikaz energijskih gostot različnih goriv (masna in volumska). Podatki za vodik veljajo
za tekoče agregatno stanje.
42
Posode za shranjevanje vodika v plinastem stanju imajo naslednje lastnosti.
Tabela 14: Povzetek lastnosti tipičnih posod za gorivo [16, 87]
Količina\Material
Jeklo Kompozit
Notranja prostornina [l]
50
50
Tlak [bar]
200
200
Premer [mm]
220
300
Dolžina [mm]
1600 1000
Teža [kg]
70
25
Shranjena energija v 50 l [MJ]
87
87
Shranjena energija v 50 l [kWh]
24
24
Masa shranjenega vodika [kg]
0,7
0,7
Specifična energijska gostota [kWh/kg]
0,35 0,96
Specifična energijska gostota [kWh/l]
0,48 0,48
Kompozit
50
400
300
1000
45
155,5
43
1,4
0,96
0,86
Kompozit
50
700
300
1000
85
237,5
66
2
0,78
1,32
Iz podatkov v zgornji tabeli je razvidno, da so kompozitne posode za gorivo
boljše, predvsem kar zadeva masne gostote energije. Njihova glavna slabost je (trenutno
še) cena. Masa same posode raste hitreje kot tlak, poleg tega pa gostota vodika raste
počasneje kot tlak. Zato je masna gostota shranjene energije ugodnejša pri nižjih tlakih,
volumska pa pri višjih.
Tudi pri uporabi najboljših posod za gorivo lahko v 50l posodo (notranji
volumen!) shranimo le 2 kg vodika. To je energije za 6 kg oz 8 l bencina ali nafte. Pri
mestni vožnji bi to lahko zadostovalo za premagovanje razdalj prek 500 km (upoštevajoč
10 krat boljši izkoristek od bencinskih motorjev), pri relacijski vožnji pa se tak avtomobil
ne bi dobro obnesel.
Rešitev je v uporabi tekočih goriv, na primer metanola, ki ga lahko na vozilu
samem reformiramo v vodik. Prednost metanola pred drugimi ogljikovodiki je nizka
temperatura, le dobrih 200 °C, ki je potrebna za reforming. Svetovna proizvodnja
metanola je že danes dovolj velika, standardi za prevoz, skladiščenje in varno uporabo so
tudi že določeni, z njim se trguje po celem svetu, tako da je verjetno za začetek res
najbolj primerno gorivo.
Druga težava električnih vozil je njihova cena. Le ta je zaenkrat še relativno
visoka, glavni del cene pa predstavljajo gorivne celice. Trenutno se njihova cena giblje
okoli 300 UDS/kW, v prihodnosti pa se bo z masovno proizvodnjo in manjšim
napredkom tehnologije spustila na predvidenih 50 UDS/kW. Večji del cene pri
nizkotemperaturnih gorivnih celicah tipa PEFC prinesejo polimerne membrane, ki se še
ne proizvajajo masovno in platina, ki se jo nanaša na elektrode kot katalizator. Pri
visokotemperaturnih celicah so glavni vir cene kompozitni materiali, ki morajo biti
odporni pri visokih temperaturah, pri velikih temperaturnih spremembah pa tudi ne smejo
počiti (podobni koeficienti termičnih raztezkov vseh uporabljenih komponent).
43
8.1.4 Povzetek tehničnih razlik
To poglavje lahko zaključimo z ugotovitvijo, da v tem trenutku električna vozila
lahko nadomestila bencinska predvsem pri mestni vožnji, medtem ko bodo pri relacijski
vožnji potrebne še dodatne tehnične rešitve. Težava je predvsem nizka energijska gostota
goriva in reforming na vozilu samem v primeru pogona na tekoča goriva. Alternativne
rešitve so morda tudi visokotemperaturne celice, pri katerih prednjači tip SOFC (Solide
Oxide Fuel Cell). Te celice delujejo pri temperaturah med 600 in 800 °C in lahko
uporabljajo obstoječa tekoča goriva in plinaste ogljikovodike. Morda se bo ta tip gorivnih
celic uveljavil pri prvih električnih avtobusih in tovornjakih.
Sicer pa lahko rečemo, da imajo električna vozila potencial, da presežejo zmogljivosti
obstoječih in prihodnjih vozil z motorji na notranje izgorevanje.
8.2
Ekološka primerjava vozil z motorji na notranje izgorevanje in
električnih vozil
Ekološke prednosti električnih vozil so jasne. Vozila, ki bodo kot gorivo
uporabljala vodik bodo kot produkt proizvajala le vodno paro, ki ni onesnaževalec zraka.
Ta tehnologija je popolnoma čista, saj lahko sam vodik pridobivamo z elektrolizo vode,
elektriko za elektrolizo pa pridobimo z drugimi čistimi metodami (sončne celice,
vetrnice,…). Žal tovrstno pridobivanje danes še ne bi bilo ekonomsko smiselno, saj je
pridelava vodika iz naravnega plina bistveno cenejša. Omenjeni postopek pa bo aktualen
v prihodnosti, ko bo naravnega plina začelo zmanjkovati.
Kot sem omenil v poglavju o tehnoloških težavah (8.1.3), se bodo zaradi težav pri
skladiščenju in transportu vodika sprva uveljavila električna vozila pri katerih se bo na
vozilu samem tekoče gorivo (na primer metanol) reformiralo v vodik. Pri tem postopku
bo poleg emisij vodne pare prišlo tudi do emisij CO2 . Tega CO2 bo manj kot pri sedanjih
vozilih zato, razlog za to pa je boljši energijski izkoristek. Poleg tega bi lahko po
kondenzaciji vode v izpušni cevi, nastali CO2 shranili v posebni posodi in ga kasneje
deponirali v opuščena nahajališča zemeljskega plina. Pri sedanjih avtomobilih to ni
smiselno, ker je poleg CO2 v izpušni cevi še veliko zraka (predvsem dušika), ločevanje
plinov pa je zapleteno in ni ravno smiselno.
Ostalih emisij, kot so ogljikov monoksid, žveplov dioksid, dušikovi oksidi,
svinec, prašni delci in ostalo pa odpadejo. Zmanjšanje teh emisij bi zelo pripomoglo k
ekološkemu izboljšanju okolja. Predvsem se je potrebno zavedati, da bi se ob nadaljnji
mobilizaciji prebivalstva, predvsem v azijskih državah, emisije strupenih plinov še
povečale.
8.3
Ekonomski vidiki pri vpeljavi električnih vozil
Če hočemo prepričati potrošnike, da se bodo odločali za električna vozila jih je
potrebno ponuditi po dostopnih cenah. Trenutne cene gorivnih celic, ki so glavni strošek
pri električnih vozilih, se gibljejo okoli 300 USD/kW. Za primerno osebno vozilo bi
zadostovala 20 kW gorivna celica, katera cena je približno 6000 USD. To je še nekoliko
preveč, saj bi morala biti cena celega vozila v nižjem cenovnem razredu le malo večja od
44
te vrednosti. Strokovnjaki predvidevajo, da bodo z množično proizvodnjo cene gorivnih
celic do leta 2010 padle do 50 USD/kW. To je že popolnoma sprejemljiva raven.
Poleg cene samega vozila bo prednost električnih vozil tudi cenejša vožnja. Z
bistveno nižjo porabo goriva (v mestu kar 10 krat nižjo) se bo sorazmerno zmanjšal tudi
strošek za gorivo.
Tudi država bo morala spodbujati uporabo čistejših prevoznih sredstev, tako da
lahko vsaj pri uvajanju vozil pričakujemo nižje davke ali pa kakšne podobne ugodnosti.
No verjetno je bolj realno pričakovati, da se bodo povečale dajatve za obstoječa vozila,
uporaba električnih pa bo tako draga kot sedanjih. Tudi tak pristop bi s stališča kupca
pomenil prednost električnim vozilom.
45
9.
Zakoni, povezani z onesnaževanjem zraka
V skladu s Kyotskim sporazumom, tudi Slovenija uvaja zakonodajo, ki bo
omogočila nadzor in omejevanje škodljivih emisij v ozračje. Nekatere uredbe že veljajo,
kar nekaj pa jih stopi v veljavo leta 2004. Tudi sicer je do leta 2010 predvideno prehodno
obdobje v katerem se nižajo dovoljene emisije do predvidenih okolju in zdravju
neškodljivih vrednosti.
Leta 1995 je bila sprejeta uredba o kakovosti tekočih goriv glede vsebnosti
žvepla, svinca in benzena (Ur. l. RS 8/95), ki je učinkovito zmanjšala emisije svinca (graf
16 na strani 31).
Leta 1997 je začela veljati tudi uredba o ravnanju s snovmi, ki povzročajo
tanjšanje ozonskega plašča. Uredba prepoveduje uporabo klorofluoroogljikov, halonov,
metilbromida in podobnih snovi, ki škodijo ozonskemu plašču. Dovoljene so izjeme v
primerih, ko se snovi uporablja za tako imenovano uporabo bistvenega pomena
(medicinski primeri, raziskave in podobno), za uničevanje teh snovi in za podobne
izjemne primere.
V začetku tega stoletja je bilo sprejetih tudi nekaj uredb, ki naj bi pripomogle k
zmanjšanju emisij CO2 . Najbolj pomembna se mi zdi tista, ki določa ceno, ki jo morata
plačati prodajalec goriva in njegov potrošnik za vsak kilogram v ozračje
sproščenega CO2 . Trenutna cena je 3,00 SIT/kg, določa pa jo vlada. To pomeni, da pri
vsakem litru bencina prodajalec plača približno 7 SIT takse (upoštevamo gostoto bencina
in emisijo CO2 na kilogram goriva). Poleg te uredbe je zanimiva tudi uredba o obveščanju
potrošnikov o varčni rabi goriv in emisijah CO2 novih osebnih vozil. Uredba določa, da
morajo biti omenjene specifikacije natančno in jasno prikazane. Pripravljeni so
standardni formularji, na katerih je označena poraba goriva in emisije CO2 . Poleg tega je
pri emisijah CO2 na prevožen kilometer vsak avtomobil uvrščen v svoj razred po
prispevku k globalnem segrevanju. V primeru kršenja uredbe so za kršitelje predvidene
denarne kazni.
Posebne uredbe od leta 2002 veljajo tudi za količino benzena in CO v zunanjem
zraku. Določajo mejne in alarmantne koncentracije, iz njih pa žel ni razvidno kakšni so
predvideni ukrepi ob prekoračitvi teh vrednosti. Podobne uredbe veljajo tudi za SO2 ,
dušikove okside, trdne delce in svinec v zunanjem zraku. Tudi tu niso določeni posebni
ukrepi, vendar so omenjene uredbe vseeno dobrodošle, saj predstavljajo dokument, na
katerega se lahko sklicujejo »žrtve« onesnaženja. Obenem služijo kot osnova za
nadgradnjo. Oglejmo si še tri primere tabel mejnih vrednosti in dovoljenih preseganj, ki
so del omenjenih uredb in primerjajmo mejne koncentracije s podatki o škodljivosti
emisij človekovemu zdravju.
46
Tabela 15: Mejne vrednosti in sprejemljivo preseganje za žveplov dioksid [25]
Vrednost 350 µg / m 3 predstavlja delež molekul SO2 v zraku enak 120 ppb.
Upošteval sem normalni zračni tlak in molsko maso zraka 29 g/mol, molsko maso SO2 pa
64 g/mol. Omenjenih 120 ppb zdravju ne more biti preveč škodljivo, saj se prvi znaki
slabosti pojavijo šele pri 1500 ppb (poglavje 2.3.6, stran 10). Naravno ozadje sicer
prispeva približno 1 ppb SO2 , tako da je vpliv človeka velik, meje ki so zakonsko
postavljene pa so sprejemljive za ohranjanje naravnega okolje.
Tabela 16: Mejne vrednosti in sprejemljivo preseganje za dušikove okside [25]
Vrednost 200 µg / m 3 predstavlja delež molekul NO2 v zraku enak 95 ppb.
Upošteval sem normalni zračni tlak, molsko maso zraka 29 g/mol, molsko maso NO2 pa
46 g/mol. Zdravstvene težave se začno pri okoli 300 ppb (poglavje 2.3.8, stran 11), zato
lahko tudi tu rečemo, da so meje postavljene smiselno.
47
Tabela 17: Mejne in dolgoročno naravnane vrednosti ter sprejemljivo preseganje za trdne
delce premera 10µm [25]
48
10.
»Naftni lobi«
Provokativni naslov »naftni lobi« je dobra iztočnica za razmišljanje o
netehnoloških težavah, ki nastopajo pri uveljavitvi električnih vozil. Dandanes je tako, da
morajo inovatorji, razvojniki, tehnologi in sploh vsi, ki se ukvarjajo z razvojem novega
izdelka, misliti tudi na ekonomske, politične, pravne, ekološke in moralne posebnosti, ki
spremljajo izdelek. Ekonomsko nekonkurenčen ali politično-pravno neprimeren izdelek
nima nobenih možnosti, da bi uspel na trgu. Na ekologijo in moralne norme pa morajo
biti intelektualci tako ali tako pozorni. Kdo bo, če ne oni? V tem seminarju smo sicer že
obravnavali ekonomske razloge za uveljavitev električnih vozil, vendar bolj s stališča
inovatorja in kupca, ne pa s stališča velikih avtomobilskih tovarn, naftnih družb in vlad
pomembnih držav. Del tega bomo opisali v tem poglavju.
10.1 Prilagoditev tovarn
Lastniki obstoječih avtomobilskih koncernov so investirali veliko sredstev v
izgradnjo tovarn, potrebnih za izdelavo avtomobilov. Preden bodo prešli na novo
tehnologijo, bodo skušali do konca izkoristiti obstoječe zadeve. Proizvajalci nekaterih
avtomobilskih delov (karoserija, notranja oprema, elektronika) in opreme
(pnevmatike,…) bodo tudi po uvedbi električnih vozil ostali neprizadeti, le malo se bodo
morali prilagoditi na nove razmere. Po drugi strani pa bodo proizvajalci motorjev,
menjalnikov, diferencialov in drugih z motorjem povezanih enot ostali brez dela. Ta
segment bodo po novem zapolnile družbe, ki se ukvarjajo s kemijsko tehnologijo in
elektrotehniko. Tega se avtomobilske tovarne zavedajo, zato mnoge ne vlagajo več v
razvoj motorjev ampak motorje kupijo drugje.
Pričakujemo lahko, da bodo vsaj še približno deset let tudi avtomobili z motorji
na notranje izgorevanje zavzemali večji del tržišča. Rabljena vozila, katerim bo cena
znatno padla, pa bodo morda še nadaljnjih 20 let vozili po naših cestah . To je odvisno
predvsem od vladne politike, ki bi lahko z nižanjem dajatev za ekološko sprejemljivejša
vozila, zelo vplivala na njihovo ekonomičnost.
Manjše družbe imajo v tem pogledu velike prednosti, saj so dosti bolj fleksibilne
in se lažje prilagajajo novo nastalim razmeram. Pričakujemo lahko, da bodo pri prehodu
na novo tehnologijo nekatera večja podjetja propadla, razvila pa se bodo nova.
10.2 Nafta
Nobena skrivnost ni, da imajo lastniki naftnih družb velik vpliv na politiko. Nafta
je nepogrešljiv del sedanje družbe, prodane količine in zneski pa so astronomsko visoki.
Zaradi manjše porabe goriva in zaradi možnosti uporabe drugih goriv (vodik), se zdi, da
naftni velikani ne bodo dopustili prehoda na novo tehnologijo. Po drugi strani pa je tudi
res, da so količine nafte omejena, njena poraba še narašča (razvijanje azijskih držav!),
49
ekološke obremenitve okolja (globalno segrevanje) pa so blizu alarmantnih. Teh
negativnih vplivov se zaveda tudi javnost, ki tudi lahko vpliva na politiko.
Poleg tega pa se moramo zavedati še vsaj treh dejstev. Prvič: prehod na električna
vozila bo postopen in ne skokovit, zato bo povpraševanje po nafti do neke mere ohranilo.
Drugič: prva električna vozila bodo hibridna (Toyota Prius,…), torej bodo tudi
potrebovala bencin ali nafto, le da v manjših količinah.(zaradin manjše porabe). Tretjič:
tudi po uveljavitvi električnih vozil in gorivnih celic, ki bodo nadomestile toplarne in
elektrarne, ki sedaj uporabljajo nafto, bodo še vedno ostali določeni segmenti, kjer bo
nafta potrebna surovina. Le nazadnje bo v elektrarnah, kjer bodo delovale
visokotemperaturne gorivne celice tipa SOFC (Solide Oxide Fuel Cell), kot gorivo
potrebovali nafto.
10.3 Pogled javnosti
Javno mnenje ima velik vpliv na razvoj določene tehnologije. Ob misli, na
avtomobil poln vodika pod visokim pritiskom, povprečni človek hitro pomisli na nevarne
stvari, kot so vodikova bomba ali pa na nesrečo cepelina Hindenburg [25, stran 467].
Jasno je, da omenjeni zadevi z električnimi vozili nimata nobene smiselne zveze. Kljub
vsemu pa je potrebno pri razvoju novih vozil biti zelo pozoren tudi na vprašanje varnosti,
ki mora preseči varnost obstoječih vozil.
Pravzaprav mora vsak novi izdelek preseči starega v večini pogledov. So ljudje, ki
sicer radi preskušajo nove stvari, večina pa je bolj konzervativnih in bodo hoteli od novih
nepreizkušenih vozil večjo ekonomičnost, večjo varnost in boljše vozne lastnosti.
Pomembna prednost, ki jo imajo električna vozila pa je seveda ekološka
prijaznost okolju. Tudi v primeru, ko vozilo ne uporablja vodika ampak npr. metanol, so
zaradi boljšega izkoristka emisije CO2 sorazmerno manjše. Količina CO2 , ki se sprosti v
ozračje je namreč sorazmerna s porabljenim gorivom oziroma s količino ogljika, ki je v
gorivu. Če ima motor boljši izkoristek, to pomeni, da za premagovanje določene razdalje
porabi manj goriva, ker odda manj odvečne toplote.
50
11.
Zaključek
Izpostavil bom tri dejstva, zaradi katerih menim, da bodo električna vozila
nadomestila obstoječa z motorji na notranje izgorevanje:
• Boljši energijski izkoristek in s tem manjša poraba goriva in cenejša vožnja.
• Manjše obremenjevanje okolja in s tem večja ekološka neoporečnost.
• Boljše zmogljivosti in enostavnost konstrukcije ter s tem zmanjšanje števila
okvar.
To so najbolj pomembni dejavniki in le še vprašanje časa je, kdaj bodo prototipna
vozila stopila tudi v serijsko proizvodnjo in na ceste. Trenutno je ovira še pri ceni
izdelave posameznih komponent, vendar se bo ta problem rešil v nekaj letih, distribucija
novih tekočih, kar bo verjetno metanol, pa tudi ne bo tako zelo problematična.
Ko bodo na cestah vozila nova bolj čista vozila, bo okolje precej manj zasičeno s
strupenimi plini, ekološka osveščenost ljudi pa bo tudi dosegla višjo raven. Mislim da
lahko z optimizmom gledamo v prihodnost, naravoslovci pa moramo pri uresničitvi
zamisli tudi aktivno sodelovati.
51
12.
Viri
12.1
Tuja literatura
12.1.1 Knjige:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Atmospheric Pollution, Mark Z. Jacobsen; Cambridge University Press, 2002
Introduction to Environmental Toxicology, Wayne G. Ladis, Ming-Ho Yu; CRC Press, 1995
Automobile Exhaust Emission Testing, H. Klingenberg; Springer, 1996
Transport and the Environment, Bryan Cartledge; Oxford University press, 1996
Handbook of Air Pollution and Control, N. P. Cheremicinoff; Elsevier Science, 2002
Diesel Exhaust Emissions Control, Society of Automotive Engineers, marec 2002
Pollution and its Containment, The institution of Civil Engineers, 1990
How to Conquer Air Pollution a Japanese Experience, H. Nishimura; Elsevier, 1989
The Chemistry and physics of Stratospheric Ozone, A. Dessler; Academic Press, 2000
State of the World 1998, L. Stark, Worldwatch Institute, 1998
Air Pollution and Health, R. E. Hester, The Royal Society of Chemistry 1998
Earth as a Living Planet, D. B. Botkin, E. A. Keller; John Wiley and Sons, 1998
Transport, the Environment and Sustainable Development, D. Banister; Alexandrine Press, 1993
Handbook of Fuel Cells, VOLUME 1, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey, 2003
Handbook of Fuel Cells, VOLUME 2, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey, 2003
Handbook of Fuel Cells, VOLUME 3, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey, 2003
Handbook of Fuel Cells, VOLUME 4, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey, 2003
Fuel Cells Power for Transport 2002; Society of Automotive Engineers, 2002
Physical Chemistry, Ira N. Levine; McGraw-Hill, 1995
12.1.2 Članki
[20]
Hyundai Santa Fe FCV Powerd by Hydrogen Fuel Cell Power Plant Operating near
Ambient Pressure, Ki-Chen Lee, Seo-Ho Chi, Soo-Wahn Kim, Fuel Cell Power For
Transportation 2002
[21]
Development of Fuel Cell-Hybrid Vehicle, Tadaichi Matsumoto, Nobuo Watanabe, Fuel
Cell Power For Transportation 2002
[22]
Optimising Control Strategy for Hybrid Fuel Cell Vehicle, Gino Paganelli, Yann
Guezzenec, Fuel Cell Power For Transportation 2002
[23]
Advanced MEA Technology for MobilePEMFC Applications, K.A. Starz, J. Koehler, K.
Ruth, M. Voght, Fuel Cell Power For Transportation 2002
[24]
Long-Term Prospectives For PEMFC and SOFC in Vehicle Applications, Jan H. J. S.
Thijssen and W. Peter Teagan, Fuel Cell Power For Transportation 2002
[25]
Innovation dynamics and enviromental technologies: the emergence of fuel cell
technology; J. Hall, R. Kerr;Journal of Cleaner Production 11, leto 2003 strani:459-471
52
12.2
Domača literatura
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
Onesnaženost zraka v Sloveniji v letu 1996, Ministrstvo za okolje in prostor 1997
Fizika 1. del, Janez Strnad, DMFA Slovenije, 1995
Fizika 2. del, Janez Strnad, DMFA Slovenije, 1995
Fizika 4. del, Janez Strnad, DMFA Slovenije, 1998
Toplota, Ivan Kuščer, Slobodan Žumer, DMFA Slovenije, 1987
Gaia modri planet, Norman Myers, Založba Mladinska knjiga 1991
12.3
Internetni naslovi
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
http://www.vcacarfueldata.org.uk/e_consumption.htm Vehicle Certification Agency
http://www.greenpeace.org/international_en/ naravovarstvena organizacija
http://www.climnet.org/ naravovarstvena organizacija
http://www.ecouncil.ac.cr/ naravovarstvena organizacija
http://www.foei.org/ naravovarstvena organizacija
http://www.t-e.nu/ transport in skrb za okolje
http://www.nfi.at/english/index.htm naravovarstvena organizacija
http://nfp-si.eionet.eu.int/eionet Evropsko okoljsko informacijsko in opazovalno omrežje
http://zakonodaja.gov.si/ slovenska zakonodaja
(internetni naslovi so dostopni v maju 2004)
Ljubljana 4. Maj 2004
53
Priloga: Moč, ki je dejansko potrebna za premagovanje upora,
trenja in za pospeševanje vozila
To poglavje sem uvrstil kot prilogo, saj se le posredno navezuje na glavno temo
seminarja, ki je vendarle ekologija. Ob upoštevanju standardnih voznih ciklov ECE15 in
EUDC [Vir 32] (strani 39 in 40 v temu seminarju), in s predpostavkami o lastnostih
avtomobila (masa:100kg, površina prednje ploskve 2 m 2 , koeficient upora 0.4 in
koeficient trenja: 0.015) lahko izračunamo, kakšna moč je v vsakem trenutku potrebna za
premagovanje zračnega upora, za premagovanje trenja in za pospeševanje vozila.
Naslednja grafa prikazujejo omenjene moči pri mestni in relacijski vožnji.
Graf 22: Moč potrebna za mestno vožnjo
Z rdečo barvo je označena moč, ki je potrebna za premagovanje zračnega upora, z zelo
moč, ki je potrebna za premagovanje trenja, modra pa je moč za pospeševanje vozila.
Rdeča in zelena krivulja sta nenegativni, negativni del modre krivulje pa predstavlja moč,
ki jo prejemajo zavore. To moč lahko izkoriščamo za polnjenje baterije (regenerativno
zaviranje).
54
Graf 23: Moč potrebna za relacijsko vožnjo
Oznake so enake, kot na zgornjem grafu
Naslednja dva grafa pa prikazujeta skupno moč, ki se porablja pri mestni in
relacijski vožnji, torej vsoto krivulj na prejšnjih grafih.
Graf 24: Skupna moč pri mestni vožnji
Na grafu 24 vidimo, da je največja zahtevana moč pri mestni vožnji le okoli
10kW, povečini pa se moč giblje okoli 3kW. Prav neverjetno se nam lahko zdi, da so
avtomobili, ki jih trenutno vozimo (bencinski) prilagojeni za moči nad 60kW oziroma 20
krat več, kot je potrebno! (To je predvsem posledica slabega izkoristka motorja) Pri
relacijski vožnji so razmere sicer malo drugačne. Poglejmo si naslednji graf, ki prikazuje
skupno moč pri relacijski vožnji.
55
Graf 24: Skupna moč pri relacijski vožnji
Pri pospeševanju do 120km/h (okoli tristote sekunde) lahko vidimo velike potrebe
po moči, skoraj 40kW. V ostalih voznih območjih pa je moč okoli 10 do 20kW.
Električno vozilo bi lahko kratkotrajne vrhunce moči dosegalo z baterijami in
ultrakondenzatorji, za povprečno moč in polnjenje baterij ter ultrakondenzatorja pa bi
zadostovala gorivna celica ali celo dizelski agregat precej manjše moči. Zadostovalo bi
okoli 15kW.
Iz vsega navedenega v prologi lahko vidimo, kakšne moči so potrebne za soliden
avtomobil. Te podatke je potrebno upoštevati pri konstrukciji novih električnih vozil.
56