Univerzita Pardubice Dopravní fakulta Jana Pernera Semestrální práce Vliv automobilové dopravy na znečištění ovzduší Martin Kolouch Datum: 20.3. 2004 1. ročník kombinovaného studia DP-SV Rok 2003/2004, letní semestr Název práce: Vliv automobilové dopravy na znečištění ovzduší 1
Prohlášení Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpal, v práci řádně cituji. Souhlasím se zveřejněním práce na webovém serveru Univerzity Pardubice. Anotace Tato práce se zabývá výskytem škodlivých látek v ovzduší, jejich složením a koloběhem v přírodě i vlivem automobilové dopravy na změnu klimatu. Dále pojednává o principu současných spalovacích motorů a možnosti přejití na alternativní paliva. e-mail: m.kolouch@email.cz Klíčová slova Škodliviny, výfukové plyny, tvorba a snižování emisí, katalyzátory, energie, spalovací motory, alternativní paliva. 2
Obsah: Obsah 3 1. Kapitola Ovzduší. 5 1.1. Úvod... 5 1.2. Atmosféra...... 5 1.3. Škodliviny....... 6 1.4. Ochrana ovzduší. 7 1.5. Způsoby ochrany ovzduší.. 8 2. Kapitola Energie. 9 2.1. Primární zdroje energie.. 9 2.2. Fosilní energetika... 9 2.3. Výhody a nevýhody fosilních paliv. 10 2.4. Tvorba škodlivin při spalování fosilních paliv 10 3. Kapitola Výfukové plyny.. 11 3.1. Exhalace spalovacích motorů... 11 3.2. Exhalace zážehových spalovacích motorů... 11 3.3. Exhalace vznětových motorů... 11 3.4. Složky výfukových plynů.... 12 3
4. Kapitola Emise.. 13 4.1. Vývoj emisních předpisů..... 13 4.2. Emise automobilových spalovacích motorů 14 4.3. Emise SO X 14 4.4. Možnosti snižování emisí. 14 4.5. Snížení emisí SO 2. 15 4.6. Snižování sirných emisí v zemích EU..... 15 4.7. Omezování emisí.. 15 4.8. Program kyselého deště... 16 4.9. Pokuty...... 16 5. Kapitola Technické prostředky ke snížení emisí 17 5.1. Odlučovací zařízení...... 17 5.1.1. Odlučování pevných a kapalných čističových příměsí.... 17 5.1.2. Odlučování plynných příměsí... 17 6. Kapitola Katalyzátory.. 19 6.1. Typy katalyzátorů... 19 6.1.1. Oxidační katalyzátor..... 19 6.1.2. Redukční katalyzátor.........19 6.1.3. Třícestný neřízený katalyzátor...... 19 6.1.4. Třícestný řízený katalyzátor... 19 4
7. Kapitola Spalovací motory... 21 7.1. Princip zážehového motoru...... 21 7.2. Princip vznětového motoru...... 21 7.3. Výhody pístových spalovacích motorů.... 21 7.4. Automobilové benzíny..... 21 7.5. Motorová nafta..... 22 8. Kapitola Vliv škodlivin na změnu klimatu. 23 8.1. Skleníkový efekt... 23 8.2. Ozónová vrstva. 23 8.3. Koloběh síry..... 23 8.4. Koloběh uhlíku a CO 2...... 24 8.5. Cyklus dusíku... 24 9. Kapitola Alternativní paliva.... 25 9.1. Palivové články.... 25 9.2. Etanol... 25 9.3. Zkapalněný zemní plyn LPG... 25 9.4. Zemní plyn CNG...... 26 9.5. Bionafta.... 26 10. Závěr 27 Použitá literatura.. 28 5
1. Kapitola Ovzduší 1.1. Úvod Životní prostředí je otevřený dynamický systém, formovaný jako produkt interakcí mezi člověkem a vzájemnými vztahy uvnitř jeho společnosti a zdroji biosféry. Znečištění ovzduší škodlivinami je nejčastěji spekulovaným tématem dopravy. Doprava je zdrojem mnohostranné zátěže prostředí. V posledních desetiletích roste její podíl na spotřebě mnoha druhů přírodních zdrojů. V dnešní době spotřebuje doprava v Evropě asi 30% energie a toto procento stále poroste. Pohonné hmoty představují nejvzácnější typ energetických surovin. Podíl znečištění ovzduší způsobený dopravou představuje největší sektor a neustále roste. Od roku 1950 do roku 2000 narostly emise škodlivých plynů 4x. Provoz automobilů se podílí na produkci skleníkových plynů ze 75%.V dalším století se počítá s nárůstem průměrné teploty o 1,2 až 3,5 C. To není málo, podobný pokles o stejnou hodnotu by totiž znamenal návrat doby ledové. Škodliviny vypouštěné do ovzduší automobilovou dopravou působí negativně i na zdraví občanů především ve velkých městech. Nejvíce jsou ohroženy skupiny dětí, starých lidí a nemocných. Tuhé odpady z automobilů navíc významně přispívají k celkové produkci odpadů. V současném době se těží asi 2 miliardy tun ropy ročně, přičemž roční nárůst je přibližně 6%. Dochází ke ztrátám při přepravě, skladování i použití. Za jeden rok automobil vyprodukuje asi 1 tunu škodlivých plynů, z toho 700 kg oxidu uhelnatého, 100 kg uhlovodíků, 35 kg oxidů dusíku a další vysoce toxické látky. Pokud není motor dostatečně zahřátý a neujede potřebnou vzdálenost zatěžuje ovzduší větším množstvím škodlivých látek. V budoucnu by se tento problém měl začít řešit ve prospěch životního prostředí. 1.2. Atmosféra Zemská atmosféra vytváří hraniční vrstvu biosféry vzhledem ke kosmickému prostoru. Absorpce určitých částí slunečního záření některými plyny obsaženými v atmosféře je hlavním motorem pohybu obrovských mas, která má za následek neustálou změnu meteorologických parametrů, které nazýváme počasím. Zemské ovzduší je složitou směsí látek plynných, tuhých i kapalných. Je tvořeno kyslíkem zředěným inertními plyny s malou příměsí stopových látek ve všech skupenstvích. Kyslíku je v atmosféře 21%. Zbývajících 79% tvoří inertní plyny. Důležité jsou stopové příměsi, které považujeme za škodliviny. Vlastní váha a gravitační síla Země zabraňují atmosféře uniknout do vesmíru. Tato směs plynů a drobných pevných částic je rozdělena do čtyř hlavních vrstev: troposféra, stratosféra, mezosféra a termosféra. Jednotlivé vrstvy mají určitou hustotu, která směřuje od Země a klesá. První z nich je nejbližší Zemi a sahá do výše 12 km nad povrch Země. Je to teplá vrstva, protože ji zahřívají sluneční paprsky odrážející se od povrchu Země. Další vrstvou je stratosféra, která se rozprostírá do výše 50 km nad zemským povrchem. Na vrcholu této vrstvy je koncentrován ozón, který zachycuje množství škodlivých ultrafialových paprsků. Vědci varují, že pokud budeme dále znečišťovat ovzduší, porušíme ozónovou vrstvu a ztratíme tento ochranný štít. 6
1.3. Škodliviny Tyto látky dělíme do dvou skupin, kterými jsou skleníkové plyny a látky poškozující ozonovou vrstvu. K znečištění ovzduší dopravou dochází vlivem nedokonalého spalování fosilních paliv v motoru a reakcemi kyslíku a dusíku. U nás je podíl automobilové dopravy na znečištění ovzduší relativně menší, avšak dochází k němu vlivem enormního spalování nekvalitních paliv. Oxid uhličitý (CO 2 ) Roční celosvětový objem emisí CO 2 se odhaduje na 22 28 mld.tun. Jedním ze zdrojů je i doprava. Tento plyn nemá závažnější vliv na lidské zdraví, ale má 55% vliv na oteplování atmosféry. S dalšími plyny se shromažďuje v nižších vrstvách atmosféry a napomáhá růstu skleníkového efektu. Spálením 1 litru benzínu vznikne 2,4 kg CO 2. Zatím neexistuje technologie, která by mohla zajistit zachycování vzniklého CO 2. Oxid siřičitý (SO2) Významnější je SO 2, méně SO 3. Oxid siřičitý SO 2 je emitován do ovzduší z každého spalovacího procesu, v němž spalujeme palivo obsahující síru. V ovzduší je rozkládán na sírany nebo kyselinu sírovou, která je příčinou okyselování půd a vod. Dle typu spalovacího zařízení se až 80% síry dostává do ovzduší, zbytek se váže v popelu. Podílí se na tvorbě kyselých dešťů. Spálením 1 kg síry vzniknou 2 kg oxidu siřičitého. Vzhledem k malé energii této reakce, nízké spalovací teplotě a vysoké rychlosti hoření není znám způsob, jak tuto reakci potlačit. SO 2 je rozpustný ve vodě, organických rozpouštědlech a kyselině sírové. Spolu s kondenzovanou vodou vytváří korozně agresivní prostředí, a tím nepříznivě ovlivňuje životnost motoru. Oxidy dusíku (NO, NO 2 ) Vznikají slučováním kyslíku a dusíku při spalování fosilních paliv. Tyto oxidy se velmi těžko odbourávají, protože katalyzátory nejsou příliš účinné. Důležitou sloučeninou je amoniak, který vzniká rozkladem dusíkatých látek. Hlavním zdrojem je doprava a energetika.ve vyspělých zemích je podíl dopravy na emisích NO X dokonce vyšší než podíl energetiky. Jsou to dráždivé plyny. NO 2 je plícním a krevním jedem. Zbavuje organismus kyslíku, způsobuje únavu, poškozuje srdce, cévy a nervový systém. Působením ozónu, vzniklého z oxidu dusičitého a slunečního záření, dochází k narušení buněčné struktury listoví a jehličí. V půdě způsobuje intenzivní okyselování. Následným působením kyselých dešťů a mlhy se odstraní základní živiny (N, Mg, Ca, Na, P). Nedostatek živin zvyšuje citlivost na světlo, je narušena tvorba chlorofylu, při působení slunečního záření dochází ke žloutnutí a opadávání listí a jehličí. Výsledkem je odumírání rostlin a stromů, protože kyselé deště působí na rostliny jako kyselina. Vyčíslení škod na rostlinách a živých organismech je těžké. Oxid uhelnatý (CO) Je produktem nedokonalého spalování a spalování ropných produktů. Tento plyn je prudce jedovatý a lehčí než vzduch. Zbavuje organismus kyslíku, způsobuje únavu, poškozuje srdce, cévy a nervový systém. Uhlovodíky (C X Hy) Některé (benzen) jsou karcinogenní. Jiné způsobují dráždění očí a kašel, oslabení imunity a rakovinu. Pochází především z benzínových motorů. 7
Olovo (Pb) Přidává se do paliva a z výfukových plynů je šířeno do ovzduší. Je velice jedovatou látkou ukládající se hlavně v kostech a poškozující tvorbu hemoglobinu i funkci žláz. Napadá nervový systém, ovlivňuje chování a snižuje plodnost. Děti zachytí 2,7x více této nebezpečné látky na kilogram vlastní váhy více než dospělí. Hlavním zdrojem olova v emisích je zejména silniční doprava a to svými závratnými 97,5%. Olovnatý benzín by od roku 2001 neměl být v ČR v prodeji. Prachové částice Vznikají především ve vznětových motorech. Jsou to směsi látek obsahující uhlík, nespálený olej, sírany a nespálené palivo.silniční doprava produkuje 91% těchto emisí. Ozon (O 3 ) Vzniká oxidací NO X a organických látek za působení slunečních paprsků. Omezuje pronikání ultrafialového záření. V přízemní vrstvě ničí vegetaci a negativně ovlivňuje naše zdraví. Je příčinou dýchacích potíží, astmatických záchvatů, sípání, únavy, malátnosti i nespavosti. Polycyklické aromatické uhlovodíky v ovzduší (PAU) Vznikají při nedokonalém spalování organických látek. Je známo několik set druhů těchto uhlovodíků.ukládají se v plicích, střevech a tkáních obsahujících tuk. Tyto látky jsou obvykle biologicky odbouratelné. PAU s nižší molekulovou hmotností jsou snadněji rozpustitelné ve vodě. K nejvíce rozpustným patří pyren. Nejzávažnějším uhlovodíkem z této skupiny je benzen. Do ovzduší se dostává odpařováním, při manipulaci a skladování benzínu. Samozřejmě je obsažen ve výfukových plynech. Působí na nervový systém, krevní oběh a může způsobit i smrtelnou otravu organismu. V benzínu je ho kolem 1,5%. Produkty atmosférických oxidací benzenu jsou fenoly a aldehydy, které způsobují podráždění sliznic. V horším případě vedou k leukémii a mají rakovinotvorné účinky. Toluen a xyleny reagují s OH radikály 5x 19x rychleji než benzen a podílí se na reakcích vedoucích ke vzniku smogu. Neméně důležitým karcinogenem je azbest ve starých brzdových obloženích. Všechny tyto škodliviny jsou převážně produktem benzínových vozidel. 1.4. Ochrana ovzduší Známe chemické složení atmosféry a její základní fyzikální vlastnosti. Současná atmosféra obsahuje asi jednu tisícinu procenta hydrosféry, která významně ovlivňuje projevy počasí. Hlavním zdrojem energie pohybujícím vzdušnou masou je sluneční energie. Důsledkem turbulence troposféry setrvávají látky znečišťující ovzduší v těchto vrstvách různě dlouhou dobu v závislosti na svém skupenství a chemické stabilitě. Některé plyny a částice jsou schopny v atmosféře setrvat až několik let. Typickým fyzikálním negativním jevem vyvolaným znečištěním troposféry jsou náhlé klimatické změny způsobující neočekávané jevy jako silné bouřky, cyklóny, tornáda, záplavy ale i požáry způsobené extrémním suchem. Příčinou těchto jevů jsou poruchy v teplotní bilanci troposféry vyvolané emisemi velkého množství aerosolů nebo skleníkových plynů proudících do atmosféry. 8
Samočisticí schopnost atmosféry je omezena. V současnosti jsme schopni sledovat jen několik škodlivin nebo jejich desítky. K jakým změnám dochází v atmosféře ve skutečnosti, je pro nás ve větší míře zatím jen záhadou. Málokterá škodlivina se projeví u člověka jediným a jednoznačným účinkem. Obyčejně se její toxický účinek projevuje více příznaky. Podle účinku dělíme toxické látky v ovzduší na látky s všeobecnými účinky a na látky s účinky systémovými (dochází k poškození orgánů). Z tuhých částic, které se dýchacími cestami dostávají z ovzduší do lidského těla, zasluhují pozornost těžké kovy, polokovy (arzen, antimon, telur) a lehké kovy (berylium, hliník). Uvedené kovy mohou působit toxicky a rakovinotvorně (např. berylium, kadmium, arzen, chróm, kobalt, nikl). Nutné je však uvést, že některé z těchto kovů hlavně měď, železo, mangan, zinek, selen, jsou jako biogenní prvky v určitém množství nepostradatelné pro lidský organismus. 1.5. Způsoby ochrany ovzduší Vznik prachu je nerozlučně spjat s většinou průmyslových procesů a jeho poměrně lehké zjištění v ovzduší způsobilo, že boj proti němu je znám už téměř 100 let. Od té doby odprašování prošlo bouřlivým vývojem a je možné ho sestavit do určitého systému. Každé odprašovací zařízení určené pro jednotlivé průmyslové odvětví musí být zvoleno velmi pečlivě. Je nutno samostatně zhodnotit: - minimalizaci vzniku emisí - vyřešení zpětného získávání odlučované látky jako druhotné suroviny - zhodnocení účinku procesu odlučování - rozptyl látek znečišťujících ovzduší unikajících z odlučovače do ovzduší - eliminaci zachycených znečišťujících látek posuzovaných jako nebezpečný odpad Minimalizaci emisních látek znečišťujících ovzduší je možné dosáhnout detailním studiem procesů výroby. 9
2. Kapitola Energie Získávání a spotřeba energie je činnost, která má velký negativní vliv na ekologický systém planety. Nejznámější a největší je celková zátěž energetiky založené na fosilních palivech, způsobená vlivy jejich těžby, dopravy a spotřeby. V roce 1970 byla celková spotřeba energie na světě 5000 milionů tun ropy, v roce 1990 to bylo 8100 milionů tun, což znamená nárůst o 62%. Snížil se podíl ropy ze 47% v roce 1970 na 36% v roce 1990. Na úkor ropy došlo k vzestupu podílu zemního plynu, uhlí a jaderné energie. V budoucnu lze počítat se stagnací či poklesem spotřeby energie ve vyspělých státech, ale v rozvojových zemích můžeme očekávat další růst spotřeby energie. 2.1. Primární zdroje energie Konvenční zdroje energie již nestačí zvýšené požadavky spotřeby krýt. Zásoby fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn) se povážlivě zmenšují. Je nutné hledat a ověřovat nové zdroje energie (nekonvenční). Významný objev představují primární zdroje energie, mezi které řadíme: sluneční energii, energii větru, moře, geotermální a termonukleární energii. Pro výrobu elektrické energie představují tyto zdroje netušené rezervy. 2.2. Fosilní energetika V současné době pokrývají v průmyslově vyspělých zemích fosilní zdroje primární energie téměř 90% energetických potřeb. Její podíl na energetické bilanci má v budoucnu klesat. Fosilní paliva jsou závislá na zdrojích a zásobách. Světová spotřeba těchto paliv přesahuje ročně již 13 miliard tun ekvivalentu uhlí za rok a vytváří tak hlavní příčinu znečišťování ovzduší velkým množstvím skleníkových plynů, prašných aerosolů (včetně těžkých kovů) a ostatních složek vznikajících spalováním paliv. Uhlí Tato surovina zaznamenala velkou oblibu již v minulém století a došlo k prudkému nárůstu těžby. Později docházelo k útlumu v těžbě a v současnosti se podílí na primárních zdrojích energie 26%. Je však možné, že se začne uhlí těžit opět ve velkém, protože je důležitou surovinou pro výrobu syntetických kapalných paliv, které by časem mohly nahradit vyčerpaná ložiska ropy. Ropa Tato přírodní látka je nezastupitelnou složkou dnešní energetiky. Patří mezi nejvšestrannější (bohužel i mezi neobnovitelné) zdroje energie. Začala se těžit ve velkém již v minulém století díky objevům na Středním východě a později v severní Africe. Období nízkých cen ropy je za námi. Její podíl na celosvětové spotřebě primárních zdrojů energie klesá a v současnosti představuje 34%. Destilací surové ropy vzniká řada produktů od benzínů, petroleje, nafty až po ropné oleje. Tyto produkty mohou znečistit půdu, do které proniknou. Velice těžké a nákladné je pak vyčištění spodních vod a zdrojů pitné vody. Na vodní hladině vytváří ropa film, který zabraňuje difúzi kyslíku do vody. Tuhé zbytky z dříve provozované kyselé rafinace ukládané do lagun dodnes připomínají časovanou bombu. Mezi nejčastější nehody patří požáry, 10
výbuchy a úniky ropy. Lodní doprava ropy představuje velkou hrozbu vzniku havárií nákladních lodí. Nepříznivý vliv mají vedle škodlivin také antidetonační a další příměsi v benzínu, obsahující olovo, etylenbromin nebo etylenchlorid. V řadě zemí se používají předpisy ke snížení emisí ve výfukových plynech. V procesu zpracování ropy produkuje rafinerie plynné i kapalné odpady s exhalacemi. Potenciálním jevem je zápach v okolí rafinerií. Navíc tato zařízení spotřebují velké množství technologické i chladící vody. Zemní plyn Patří mezi primární zdroje energie a podílí se na nich 17%, nemusí se upravovat a dopravuje se na velké vzdálenosti. Je důležitou surovinou a jeho těžba neustále roste. Součástí těžby je v některých případech odsiřování, což se neobejde bez exhalací obsahujících síru. Metan je hlavní složkou této suroviny a není toxický. Riziko představuje při úniku plynu možnost exploze a požáru. 2.3. Výhody a nevýhody fosilních paliv Podstatnou výhodou je vysoká koncentrace v jednotce objemu. To usnadňuje jejich přepravu i na velké vzdálenosti a jejich skladování. Druhou výhodou je dlouho fungující systém a ověřování technologií přeměny fosilních paliv ušlechtilejší formy energie. Známou nevýhodou jsou úniky škodlivých látek do ovzduší a u tuhých paliv také odpady. 2.4. Tvorba škodlivin při spalování fosilních paliv Škodliviny vznikající při spalování paliv lze rozdělit do tří skupin. Do první skupiny patří ty, jejichž emise jsou dány kvalitou paliva a které nelze vůbec, nebo jen z části ovlivnit kvalitou spalovacího procesu. Sem patří zejména oxidy síry, tuhé částice a těžké kovy. V druhé skupině jsou zařazeny škodliviny, jejichž vznik a emise lze zcela nebo částečně kvalitou spalovacího procesu ovlivnit, patří sem oxid uhelnatý a oxidy dusíku. Třetí skupina pak představuje oxid uhličitý. Snižování emisí škodlivin čištěním spalin vede k hromadění tuhých zbytků obsahujících zachycené škodliviny ve výrazně vyšších koncentracích, než jaké byly ve spalinách. Je nutné sledovat činnost nakládání s těmito odpady. 11
3. Kapitola Výfukové plyny 3.1. Exhalace spalovacích motorů Výfukové plyny motorových vozidel obsahují téměř 164 složek. Rozlišujeme složky: - anorganické - oxidy uhlíku CO a CO 2 - dusíku NO X a N X O Y - síry SO X - olověné radikály zbylé po hoření - organické - alifatické, aromatické a heterocyklické uhlovodíky C X H Y - aldehydy C CHO - fenoly, ketony a dehty - polycylické aromatické uhlovodíky - saze (čistý uhlík) Působení těchto látek na živou přírodu je třeba hodnotit z hledisek: - genetických (pozor na sloučeniny s karcinogenními účinky polycyklické uhlovodíky, NO X ) - toxických (vyvolávají otravy nebo smrt vdechování CO, oxidy dusíku) - ekologických (sledují biotické faktory ve vztahu k motorové, silniční dopravě uhlovodíky, NO X ) Škodliviny působí na organismus přímo (CO) nebo nepřímo potravinovými řetězci jako například sloučeniny olova. Ve skutečnosti působí škodliviny vzájemně. Množství škodlivin (v kg) vznikající spálením 1000 kg paliva znázorňuje Tab. 1 Škodlivina Druh paliva Benzín Nafta CO 378 20,81 CXHY 21,2 4,16 NOX 14,5 18,01 SO2 1,86 7,8 Pb 0,2 - Celkem 415,76 50,78 3.2. Exhalace zážehových spalovacích motorů Složitá emisní situace vzniká při vyšších rychlostech, kdy vznikají zvláště emise oxidů dusíku.u průměrného osobního automobilu narůstají např. z 0,6 gramu na kilometr při rychlosti 50 km/h na 1,4 g/km při rychlosti 80 km/h. 3.3. Exhalace vznětových spalovacích motorů Tuto skupinu tvoří výhradně motory naftové, o nichž se dříve tvrdilo, že jsou výhodnější, protože produkují minimální množství oxidů dusíku. Skutečnost je však jiná. Množství těchto 12
oxidů nebývá ve spalinách vznětových motorů menší, protože v hořícím paprsku paliva probíhá část spalování na hranici stechiometrického směšovacího poměru, tj. při λ = 1, tedy při stejných teplotách jako u motorů zážehových. 3.4. Složky výfukových plynů a) oxid uhelnatý - zdrojem jsou zážehové motory pracující s bohatou směsí b) uhlovodíky - odhaduje se jich 200 druhů c) oxidy síry - produkuje především vznětový motor, dráždí nosní sliznice a plíce, ve větším množství může způsobit otok plic a hrtanu d) oxidy dusíku a další škodliviny - vznik podporují vysoké teploty spalování, podílí se na tvorbě smogu e) olovo - přidává se do benzínu jako antidetonační prostředek pro zvýšení oktanového čísla, snížení množství olova v benzínu je podmíněno velkými investicemi do průmyslu zpracování ropy - ukládá se v kostech, měkkých tkáních a svalech. f) saze - vznikají nedokonalým spalováním bohatých směsí - jsou to tuhé částice, jejichž základem je uhlík - jejich přítomnost je problémem převážně vznětových motorů - lze je omezit správným seřízením vstřikovacího zařízení a udržováním motoru v dobrém technickém stavu - někdy jsou nutná přídavná zařízení ve výfukovém potrubí zachycujícím saze (komora s keramickým monolitem, který se regeneruje vypálením) Složení výfukových plynů závisí na: - druhu spalovacího motoru - druhu paliva - konstrukci motoru a jeho příslušenství - přesnosti výroby a nastavení motoru - provozních podmínkách. 13
4. Kapitola Emise Emise vycházející z jednotlivých automobilů jsou různé vzhledem k typu vozidla a liší se i stářím vozidla. V budoucnu se uvažuje o co největší omezení škodlivin při používání benzínu nebo přechod na paliva, jako jsou stlačený zemní plyn a vodík. Pracuje se i na vývoji nových motorů. 4.1. Vývoj emisních předpisů Prvním předpisem používaným v Evropě byla směrnice EHK 15 z roku 1971. Ta se zabývala měřením obsahu oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků. Později se tento předpis doplňoval a měnil. V osmdesátých letech byla EHK 15 nahrazena novou vyhláškou EHK 83, která se stala základem i pro dnes platné předpisy. V ČR se používá od roku 1991 a specifikuje tři typy hodnocení: Typ A hodnotí vozidla se zážehovým motorem bez dodatečné úpravy spalin. Typ B hodnotí vozidla se zážehovým motorem s katalyzátorem. Typ C hodnotí vozidla se vznětovými motory. V rámci legislativy Evropské unie došlo k vývoji nových předpisů, jejichž základ tvoří právě EHK 83. Tyto předpisy jsou známy pod názvem EURO plus číslo revize předpisu. EURO 1 V roce 1992 začal platit tento předpis ve státech EU a v roce 1995 byl přijat i jako druhá revize EHK 83 v ostatních státech. EURO 2 Tento předpis složený původně ze dvou předpisů platil ve státech EU od 1.1.1996 a v ostatních státech byl přijat jako třetí a čtvrtá revize EHK 83 v letech 1996 a 1999. EURO 3 Od 1.1.2000 platí ve státech EU a v ČR od 1.4 2001. Tento předpis počítá s odděleným vyhodnocováním emisí oxidů dusíku a nespálených uhlovodíků, které byly dříve vyhodnocovány společně. EURO 4 Byl přednesen návrh tohoto předpisu, který by měl platit již od roku 2005. Někteří výrobci již dnes nabízí motory, které splňují tyto předpisy např. Škoda Auto. 14
3 2,5 2 1,5 1 0,5 CO HC+NO HC NO 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 Graf 1. Přehled vývoje emisních předpisů. (1) 4.2. Emise automobilových spalovacích motorů Pro dokonalé spalování uhlovodíku C 7 H 13 (skládá se z něj benzín) vychází ze stechiometrického výpočtu hmotnostní poměr množství vzduchu a paliva 14,4. Je-li poměr vzduchu a paliva nižší než hodnota 14,4 je směs bohatá, obráceně chudá. Bohatá směs podporuje produkci CO a nespálených uhlovodíků, chudá směs působí opačně. Bohatá směs vlivem nedostatku kyslíku se vyznačuje nižší teplotou spalování, tím se redukuje NO X, u chudé směsi přebytek vzduchu snižuje teplotu plamene a přispívá ke snížení emise NO X. Kromě spalování se asi 20% emisí uhlovodíků uvolňuje do atmosféry odpařováním z palivové nádrže a karburátoru i při čerpání pohonných hmot. Snižování emisí ve výfukových plynech se provádí přídavnými zařízeními na jejich zneškodňování. Jsou to tepelné reaktory, zpětné vedení výfukových plynů a katalyzátory. Tepelný reaktor je principiálně dodatkový hořák umožňující další oxidaci CO a C X H Y ve výfukových plynech. Motor pracuje s poněkud bohatší směsí pro spolehlivé spalování v reaktoru, což přispívá i ke snížení emise NO X, ale zvyšuje spotřebu paliva. Zpětné vedení části výfukových plynů do sání motoru přispívá ke snížení teploty spalování, bez vlivu na směs vzduch/palivo. To vede ke snížení produkce NO X a v kombinaci s tepelným reaktorem i ke snížení obsahu CO a C X H Y ve výfukových plynech, při snížení výkonu motoru a zvýšení spotřeby paliva. Dalším podobným zařízením je třícestný řízený katalyzátor, o kterém se zmíním později. 4.3. Emise SO X Jsou toxické a vážně poškozují zdraví, s dalšími škodlivinami vytvářejí nepříznivý smog a to i v letních měsících. Emise SO 2 ve výfukových plynech znemožňují zavedení kvalitnějších automobilových katalyzátorů a znemožňují recyklaci dalších zplodin. 4.4. Možnosti snižování emisí Snížení množství škodlivin lze dosáhnout úpravou konstrukce spalovacího motoru a dodatečným spalováním škodlivin ve výfukovém traktu. Na vznik škodlivin má vliv složení palivové směsi. Možností snížení emisí je dodatečné spalování oxidu uhelnatého a uhlovodíku 15
se zneškodňováním oxidu dusíku ve výfukových plynech. To lze dosáhnout pomocí trojcestného katalyzátoru, který tyto škodliviny ničí na 80%. Tab. 2 Množství emisních látek znečišťující ovzduší v ČR. (v tis.tun) Škodlivina 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Prach 840 673 631 592 501 441 344 201 187 SO2 2066 1998 1876 1776 1538 1419 1270 1091 973 NOX 858 920 742 725 698 574 368 413 440 CO 737 885 888 1102 1045 967 978 874 934 CXHY 139 228 225 227 205 204 208 174 180 4.5. Snížení emisí SO 2 Cíle stanovené v zákoně se bez větších problémů daří plnit. Např. elektrárny mohly emitovat v roce 1995 nejvýše 7,1 tun, ale dosáhly snížení na 5,3 tun. Pro rok 1997 se očekávalo další snížení těchto emisí o 30%. Nejvíce se zavádí instalace zařízení s filtry, přechod na uhlí s nižším obsahem síry a přechod na topné oleje nebo zemní plyn. 4.6. Snižování sirných emisí v zemích EU Od 1. ledna 2005 bude motoristům k dispozici benzín s mnohonásobně nižším obsahem síry, který umožní používání nových modelů katalyzátorů schopných vázat emise oxidu uhlíku. Síra se vyskytuje v anorganických sloučeninách v solích, nerostech a horninách. Lze jí najít i v organických látkách, takže je obsažena i ve fosilních palivech. Ty vznikly jako sedimenty organických materiálů. K přírodním zdrojům oxidů síry patří hlavně vulkanická činnost. Významným zdrojem těchto plynů je i spalování nafty a benzínu v dopravě a ropných produktů při výrobě tepla. Za posledních 25 let se podařilo snížit tyto emise o 20% díky odsiřování spalin z tepelných elektráren. Velké zdroje emisí se překrývají s hustě osídlenými oblastmi. Dříve se jednalo o znečištění velkého rozsahu, dnešní stav vyjadřuje výskyt lokalit, kde jsou povolené limity škodlivin překračovány trvale prostřednictvím stále rostoucí automobilové dopravy. Redukce obsahu síry v benzínu a naftě pod 50 ppm je nutná. Evropská federace pro dopravu a životní prostředí navrhuje paliva s obsahem síry nižším než 10 ppm již od roku 2005. Používání čistšího benzínu bude mít větší dopad na kvalitu ovzduší v místech vysoké koncentrace dopravy. 4.7. Omezování emisí Tento problém spočívá v čištění výfukových plynů po opuštění motorů instalací katalyzátorů do výfukového systému. U škodlivin SO 2 lze emise síry zneškodnit odstraněním síry ze spalin nebo odstraněním síry z paliva. (Metodou separace pyritické síry z uhelného prášku magneticky či gravitačně). Další možností je použití aditivovaných paliv. Výroba těchto paliv je novým směrem, který se rozvíjí. Spočívá v přidávání aditiva (vápence nebo jiné suroviny pro odsiřování). 16
4.8. Program kyselého deště Cílem tohoto programu je snížení ročního množství emisí SO 2 O 10 milionů tun ve srovnání se stavem v roce 1980. Celkové stanovené přípustné množství těchto emisí je 8,95 mil. tun ročně po roce 2009. Jedná se o program, který je prvním limitujícím pouze celkové množství emisí. 4.9. Pokuty Přesný systém měření množství emisí umožňuje okamžitě udělení pokut v situaci, kdy roční množství emisí z určitého zdroje je vyšší než počet povolenek ve vlastnictví emitenta. Po plynutí roku probíhá přesně stanovený proces kontroly. Základní sazba pokuty je 2000 USD za překračované emise 1 t SO 2, indexovaná výší inflace, dále je navíc účtována cena za dodatečně zakoupenou povolenku. 17
5. Kapitola Technické prostředky ke snížení emisí Emise lze snižovat: - omezováním spotřeby energie - náhradou fosilních paliv jinými zdroji - úpravou procesů spalování a instalací zařízení pro odlučování a zneškodňování emisí Emise SO 2 a NO X lze obecně snižovat: - před spalováním (obsah síry v palivu se snižuje tříděním. Další možností je použít zemní plyn nebo ropu) - při spalování (přidává se do paliva nebo do spalovací komory mletý vápenec, při spalování za teplot do 1000 C vzniká nižší množství NO X ) - po spalování (používají se dodatková zařízení umístěná mezi kotel a komín) Těmito prostředky lze snížit emise SO 2 a NO X zhruba o 50%. 5.1. Odlučovací zařízení Tato zařízení umožňují oddělení částic škodlivých plynů do sběrných zásobníků a potom další manipulaci s nimi. 5.1.1. Odlučování pevných a kapalných čističových příměsí Při odlučování částic je první fází procesu vydělení částic z nosného plynu (spalin, vzduchu) na odlučovací plochu. Druhou fází je odstranění odloučených částic z odlučovacích ploch, třetí fáze zahrnuje odvod těchto částic do zásobníku. Základní odlučovací metody jsou: - gravitační (při poklesu proudu v odlučovači klesají částice do sběrné komory) - setrvačný (vlivem setrvačnosti se částice snáší k odlučovacím plochám) - odstředivý (pohyb částic je dán působením odstředivé síly) - difúzní (závisí na difúzním přenosu částic ve směru snižující se koncentrace) - intercepční (malé částice sledující proudnice se usazují na odlučovacích plochách) - elektrický (částice s minus nábojem jsou přitahovány odlučovacími plochami s plus nábojem) Základní typy odlučovačů jsou: - suché mechanické odlučovače - filtry pro průmyslovou filtraci emisí - elektrické odlučovače - filtry atmosférického prachu 5.1.2. Odlučování plynných příměsí Plynné příměsi lze odlučovat pomocí různých fyzikálních a chemických principů. Použité metody se liší podle druhu škodliviny, pro některé případy je nutné projektovat a konstruovat jednoúčelové zařízení. Některé metody používané v průmyslu při výrobě chemických látek 18
nelze bez úpravy použít pro zneškodňování emisí především proto, že koncentrace příměsí v emisních plynech jsou relativně nízké. Volba metody závisí na investičních a provozních nákladech. Základní principy odlučování jsou: - adsorpce (dochází k zachycování plynné i kapalné příměsi na povrchu tuhé látky) - absorpce (plynná příměs je pohlcována vhodnou kapalinou) - kondenzace (páry škodlivin se ochlazují a mění skupenství na kapalné) - oxidace (slučování látek s kyslíkem) - redukce (odnímání kyslíku látkám kyslíkatým) - biofiltrace (zneškodňování organických plynných příměsí aerobními bakteriemi) 19
6. Kapitola Katalyzátory Životnost katalyzátorů se odhaduje na 100 000 ujetých kilometrů. Poprvé byl zaveden v USA a Japonsku v sedmdesátých letech. Tyto přístroje představují nejúčinnější cestu k čištění výfukových plynů. V dnešní době jsou všechny automobily se zážehovými motory vybaveny třícestnými řízenými katalyzátory. V současné době je třícestným katalyzátorem vybaveno přes 9 milionů automobilových vozidel. Došlo ke snížení emisí oxidu uhelnatého a uhlovodíků o 40%, přestože stále roste výroba automobilů. Katalyzátor však nemá vliv na snížení skleníkových plynů, které mají vliv na globální oteplování. Nejde ani o filtr, protože se nemění a odstraňuje emise chemických reakcí na povrchu své aktivní části. 6.1. Typy katalyzátorů Přeměna škodlivin v katalyzátorech se provádí oxidací nebo redukcí. Podle určení se volí vzácný kov použitý na katalyticky aktivní vrstvu. 6.1.1. Oxidační katalyzátor U tohoto zařízení se používá platina a paladium. Dosud používané katalyzátory potlačují CO a HC. Účinnost potlačení škodlivin se pohybuje okolo 90% za podmínky, že do motoru je přiváděna směs se vzduchovým číslem lambda přibližně λ = 1. Směs může být ochuzena až na hranici přijatelné z hlediska výkonnosti motoru. Snižování škodlivin NOX je u tohoto katalyzátoru však velmi obtížné (téměř nemožné). 6.1.2. Redukční katalyzátor U těchto katalyzátorů se používá jako aktivní vrstva platina a rhodium. Nevýhodou redukčního katalyzátoru je to, že snižuje pouze emise NOX, takže pro snížení CO2 a HC musí být použito speciálního uspořádání. Motor musí pracovat s bohatou směsí a produkuje více emisí a má větší spotřebu. Další nevýhodou je vznik čpavku. 6.1.3. Třícestný neřízený katalyzátor Tímto dnes už již nevyhovujícím zařízením bylo možno snižovat škodliviny na 50 70%. Z důvodu nevyhovujícího omezování škodlivin a nesplňování požadovaných limitů bylo toto zařízení staženo s provozu. 6.1. 4.Třícestný řízený katalyzátor Třícestný řízený katalyzátor s řízenou regulací složení směsi umožňuje dodatkovou oxidaci CO a C X H Y na CO a redukci NO X na N 2. Má keramickou konstrukci, přes kterou prochází výfukové plyny. Správná funkce závisí na vyvážené směsi výfukových plynů. Vyhřívaný snímač sleduje množství kyslíku (HO 2 S, tzv.lambda sonda lambda 1=14,7 kg vzduchu/1 kg paliva) ve výfukových plynech. V moderních vozech jsou vybaveny dvěma sondami. Vyhřívaný snímač je umístěn před katalyzátorem a sleduje množství zbytkového kyslíku ve výfukových plynech a vysílá signál do řídící jednotky motoru, který podle toho nastavuje časy vstřiku paliva. Katalyzátor obsahuje mřížku, na které jsou naneseny v malé vrstvě drahé kovy 20
(platina), které vyvolávají reakce produktu nedokonalého hoření a jejich rozklad na méně nebezpečné látky. Katalyzátor pracuje v rozmezí teplot 300 600 C. Výhodou je provoz motoru v podmínkách blízkých stechiometrickému poměru vzduch/palivo 14,4, kde výkon a účinnost motoru jsou nejvyšší. Třícestný řízený katalyzátor může být proto úspěšně uplatněn pouze v kombinaci s mikroprocesorovým řízeným karburátorem nebo vstřikováním paliva. 2CO + O2 2CO2 oxid uhelnatý kyslík oxid uhličitý 2NO + 2CO N2 + 2CO2 oxid dusnatý oxid uhelnatý dusík oxid uhličitý 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O uhlovodík kyslík oxid uhličitý voda Regulace Lambda u zážehových motorů Jde o nejlepší rozprášení a promíchání vhodného množství paliva se vzduchem a dodržování stanoveného součinitele přebytku vzduchu. Tento požadavek umožňují moderní vstřikovací systémy. Dále záleží na okamžiku zapálení směsy a přeskoku jiskry na svíčce. Svou roli hraje i teplota motoru. Nejvyšší účinnost katalyzátoru je v okamžiku, kdy je součinitel přebytku vzduchu lambda roven jedné. Tento fakt zajišťuje lambda sonda umístěná před katalyzátorem. Nevýhodou je zvýšení tlaku ve výfukovém systému a tím snížení výkonu motoru. V takto vybavených motorech se nesmí používat olovnatý benzín, protože by došlo k znehodnocení katalyzátoru. U benzínových motorů vybavených katalyzátorem jsou emise výfukových plynů v prvních minutách provozu vyšší, protože katalyzátor se musí zahřát. Opatření u vznětových motorů Škodliviny u vznětových motorů lze ovlivnit tvorbou spalované směsi ve válci. Nejdůležitější je okamžik vstřiku paliva. U přeplňovaných motorů lze emise NO X snížit chlazením plnícího vzduchu. Jemnějšího rozprášení se dosahuje většími vstřikovacími tlaky. U těchto motorů se používá oxidační katalyzátor, který snižuje obsah oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků. Nejdůležitější roli zde hrají filtry, které snižují obsah pevných látek ve výfukových plynech. Dieselové motory produkují více pevných znečišťujících látek a oxidů dusíku než benzínové automobily vybavené katalyzátorem. Nadále jsou zdrojem černého koře. Produkují však méně oxidů uhlíku a uhlovodíků, protože tyto motory mají větší účinnost. 21
7. Kapitola Spalovací motory Spalovací motor vznikl v 19. století jako náhrada za parní energii. Prvním vynálezcem plynového motoru byl německý vynálezce Otto Nikolaje v roce 1878. Doba si žádala více a roku 1892 byl zkonstruován naftový motor Němcem Rudolfem Dieselem. Rozdělení spalovacích motorů Spalovací motory dělíme na tři kategorie: - Zážehový motor benzín - Vznětový motor nafta - Proudový motor kerosin (letecký benzín) 7.1. Princip zážehového motoru: Čtyřtakt: V první fázi jde píst dolů, vznikne podtlak, který nasává hořlavou směs (benzín se vzduchem) a v druhé fázi dochází ke stlačení směsi. Pak se ve třetí fázi díky jiskře ze svíčky směs vznítí, dojde k explozi, která uvede píst prudce dolů. Dochází k výfuku spalin. Poté se nadále otáčí kliková hřídel a dochází k přenosu energie na pohyb otáčivý, který je dále veden na kola vozu. 7.2. Princip vznětového motoru: Do stlačeného rozžhaveného vzduchu se vstříkne hořlavá směs, která se sama vznítí vysokým tlakem. Pak dochází vypuštění zplodin a nasátí nového vzduchu, který se znovu stlačí. 7.3. Výhody pístových spalovacích motorů: - efektivní využití paliva - malé nároky na velikost prostoru pro uskladnění paliva - snadná manipulace, uskladnění a transport paliva - široké uplatnění v nejrůznějších oborech lidské činnosti - možnost přizpůsobení jinému druhu paliva 7.4. Automobilové benzíny Jsou to směsi uhlovodíků s bodem varu od 30 210 C. Kvalita benzínu se posuzuje podle různých hledisek, jedním z nejdůležitějších je oktanové číslo. Oktanové číslo je míra odolnosti paliv v zážehovém spalovacím motoru proti detonačnímu spalování. Odpovídá objemové koncentraci izooktanu v takové jeho směsi s n-heptanem, která se chová při spalování ve zkušebním motoru stejně jako zkoumaný vzorek paliva. Odolnost proti detonačnímu spalování paliv se zvyšuje přísadami. Bezolovnaté benzíny jsou určeny pro zážehové motory silničních motorových vozidel a nesmějí se používat u automobilů používaných v uzavřených prostorech. 22
7.5. Motorová nafta Jsou to směsi kapalných uhlovodíku vroucích mezi 150 360 C. Obsah lehkých podílů je dán požadavkem na bod vzplanutí. Obsah těžkých podílů je dán předepsaným minimálním množstvím destilátu do 360 C, aby nafta neměla sklon ke znečišťování vnitřních částí motoru a jeho kouřivosti. Může obsahovat přísadu pro zlepšení filtrovatelnosti za nízkých teplot. Důležitá je hustota nafty. Při větší hustotě nafty je ve stejném objemu větší hmota a motor je přeplněn. Má tak nedostatek vzduchu a kouří, což značně zamořuje ovzduší škodlivinami. 23
8. Kapitola Vliv škodlivin na změnu klimatu Neustále rostoucí koncentrace skleníkových plynů v ovzduší vzbuzuje velké problémy nejen u odborníků ale i ostatních občanů a stává se velkou hrozbou současnosti. Omezení růstu koncentrace skleníkových plynů patří mezi nejdůležitější úkoly doby. Globální oteplování může přinést řadu jevů. Vzroste počet extrémně teplých dní a klesne počet extrémně chladných. Lze očekávat větší sucha, záplavy a další negativní klimatické jevy. Průměrná teplota zemského povrchu se v posledních 100 letech zvýšila o 0,3 až 0,6 K, což se projevilo zvýšením hladiny světových oceánů o 10 až 20 cm. 8.1. Skleníkový efekt Planeta je chráněna pokrývkou různých plynů způsobujících skleníkový efekt. Tyto plyny pohlcují teplo odrážející se od zemského povrchu a umožňují tak možnost života na planetě Zemi. Zhruba 70% dopadajícího slunečního záření prochází atmosférou a je absorbováno zemským povrchem, který se ohřívá. Zemský povrch i atmosféra vyzařují teplo ve formě dlouhovlnného infračerveného záření ven do prostoru. Většina záření ze zemského povrchu je však zachycena skleníkovými plyny (CO 2, CH 4, N 2 O, vodní pára, troposférický ozón a v poslední době freony CFC), které se ohřívají a vyzařují část absorbované energie zpět k zemskému povrchu. Tento jev bývá označován jako skleníkový efekt. Zvýšení koncentrace skleníkových plynů v atmosféře způsobuje oteplování zemského povrchu. Díky skleníkovému efektu však naštěstí není průměrná teplota zemského povrchu - 15 C, ale je asi o 30 stupňů vyšší. Je těžké odhadovat vývoj dalších klimatických změn. Dosavadní oteplení se odehrálo v letech 1910 1947 a 1976 2000. Občas se mluví o globálně strmém oteplení, což by mělo horší následky než očekáváme. Emise těchto plynů nelze eliminovat v krátké době, protože je to velmi technologicky i finančně náročné. 8.2. Ozónová vrstva Tato vrstva je narušována činností člověka. Jedním z důvodů narušování ozónové vrstvy jsou i škodliviny z výfukových plynů. Některé látky se postupně dostávají do vyšších vrstev atmosféry a mají tu vlastnost, že rozkládají ozón. Snižování koncentrace ozónu v ozónové vrstvě je nazýváno ozónovou dírou. Záření proudící ze Slunce dopadá na svrchní vrstvy atmosféry a ve výškách 15 50 km nad povrchem Země se setkává s molekulami kyslíku, které se štěpí na jednoatomové. Ty jsou vysoce reaktivní a reagují s dalšími dvouatomovými molekulami kyslíku a tvoří tak tříatomové molekuly kyslíku ozón. Vysoké dávky UV záření tlumí fotosyntézu a mohou poškozovat buňky oka, zvyšují výskyt rakoviny atd. Nejvíce poškozují ozón freony. Dalšími látkami podobného účinku jsou halony. Mají podobnou chemickou stavbu, ale obsahují atomy bromu. Užívají se jako hasící prostředky. Snižování koncentrace ozónu se bude ještě v tomto století zvyšovat. 8.3. Koloběh síry Síra je v přírodě hojně zastoupený prvek a nejčastěji se vyskytuje v ovzduší jako SO 2. Zvýšením koncentrace tohoto plynu v ovzduší došlo v prosinci 1952 v Londýně k úmrtí 24
několika tisíc lidí. Síra se při spalování fosilních paliv okysličuje a jednotlivé množství síry koluje v tuhých palivech, popílku, aerosolech a znečišťuje životní prostředí. Sloučeniny síry se z atmosféry odstraňují za sucha absorpcí SO2 na exponovaných površích, ale i sedimentací pevných částeček. Za mokra se odstraňují ve formě kyselých dešťů, které mohou být pomocí oblačnosti přenášeny na velké vzdálenosti. Sedimenty síry a kyselé deště představují velkou hrozbu pro lesy poškozují listy, urychlují povrchovou erozi půdy, uvolňují dusík v půdě a snižují respiraci půdy. 8.4. Koloběh uhlíku a CO 2 Oxid uhličitý je důležitou součástí biosféry. Za normálních podmínek je jeho koncentrace 0,03 objemových procent a uhlík prostřednictvím CO 2 koluje mezi atmosférou, vegetací a oceány. Rostliny využívají oxidu uhličitého k tvorbě uhlohydrátových sloučenin, živočichové uvolňují CO 2 v procesu biologického okysličování zpět do atmosféry. Ke zvyšování obsahu CO 2 v atmosféře vede spalování fosilních paliv, na čemž se podílí právě i doprava. V budoucích padesáti letech lze očekávat zvyšování koncentrace této škodliviny v atmosféře. Potvrdí-li se tato prognóza dojde k oteplení zemského povrchu, rozmnoží se ve světových mořích plankton a řasy, čímž se zvýší fotosyntéza. Výsledkem je snižování koncentrace CO 2, vyšší tvorba kyslíku a zvýšené ukládání uhlíku v rostlinách. 8.5. Cyklus dusíku Dusík je velice rozsáhlým prvkem v přírodě. Volný dusík tvoří více než ¾ z objemu všech plynů. Je důležitý biogenní prvek i součást aminokyselin a bílkovin. K produkci dusíku přispívá určitou měrou také vulkanická činnost. Tento prvek koluje mezi zemským povrchem a atmosférou, v které se vyskytuje hlavně ve formě škodlivých NO X. 25
9. Kapitola Alternativní paliva Nejlepším řešením na snížení nákladů na pohonné hmoty je pohonná hmota z obnovitelných zdrojů. Novým trendem v EU jsou kapalná paliva z biomasy. Nové zdroje energií nejsou schopny obstát na již zavedených trzích, a proto musí být podporovány státem. Z předpokládaného cíle udržitelného rozvoje v Evropě lze očekávat snížení emisí CO 2 o 80% a zastavení atomové energetiky. Běžné koncepce pohonu jsou jen stěží nahraditelné, ale zájem o alternativní paliva stále stoupá a to zásluhou negativních vlivů klimatických podmínek i vyčerpání zásob fosilních paliv. 9.1. Palivové články Nový pohon a zlom ve vývoji paliv a pohonů automobilů způsobili palivové články. Jejich vývojem se zabývá již celá řada automobilek. Co se v palivovém článku děje, je známo již půl století. Jde o elektrochemickou reakci vodíku s kyslíkem, kde vzniká za určitých podmínek stejnosměrný elektrický proud. V palivovém článku se spojuje vodík a kyslík. Uvolněná energie není doprovázena explozí, ale přemění se na elektrický proud. Trik spočívá v oddělení obou plynů speciální membránou, která propouští pouze protony. Přebytkem elektronů, vodíkových atomů na vodíkové straně dochází k vytvoření záporného pólu, na kyslíkové straně vzniká kladný pól. Vzniklé napětí je možné použít pro pohon elektromotoru, pokud se tyto články propojí ve větší svazky. Reakce probíhá při teplotě 80-90 C a jejím vedlejším produktem je voda, která se odpařuje do ovzduší. Palivových článků existuje několik druhů, ale výše popsaný typ (PEM) je pro umístění do vozidel nejvhodnější. Potřebná energie se získává přímo ve voze bez škodlivin. Nevyřešenou otázkou však zůstává čerpání vodíku jako pohonné hmoty, její skladování a další manipulace. Nutné je i zdůraznit, že vzduch potřebný k reakci je nutné ve voze stlačovat na požadovanou mez. Dalším problémem používání vodíku ve velkém je určit dobu, kdy a jak jej použít a zda energie potřebná k jeho výrobě bude ekologicky čistá. V místě výroby by bylo třeba velké množství primární energie potřebné k jeho výrobě v podobě vodních, solárních a jiných zdrojů. To bohužel dnes není. Vodík lze už dnes používat jako palivo současných motorů při velkém snížení škodlivých emisí. Potřebné je jen upravit motory, nádrže i palivové soustavy v našich vozidlech. To by se však projevilo na ceně každého vozidla. Dalším problémem zůstává otázka čerpání, skladování a výstavba čerpacích stanic. 9.2. Etanol Alkohol jako palivo spalovacího motoru se zdá být dobrou náhradou ropných produktů. Nejvíce lihu se získává z cukrové třtiny. V Evropě má tento pohon největší naději uspět ve Švédsku, kde se vyrábí ze slámy a štěpků. Toto palivo se skládá z 85% etanolu a 15% benzínu. Automobily poháněné tímto druhem paliva mají jinou nádrž, upravené ventily a jejich sedla i zcela jiné palivové potrubí. 26
9.3. Zkapalněný plyn LPG Toto palivo je dnes velmi rozšířené a u nás známé jako propan butan. Jedná se o směs uhlovodíků získanou při rafinaci ropy. Tento plyn lze ochlazením nebo stlačením převést do kapalného stavu, ve kterém má malý objem. V ČR jezdí na toto palivo asi 150 000 vozidel. 27
9.4. Zemní plyn CNG Jde o velmi dobře využitelné palivo, které se může používat v lehce upraveném zážehovém motoru. Zemní plyn je tvořen 98% metanem, přičemž platí, čím větší obsah metanu, tím větší je energický potenciál zemního plynu a hodí se jako palivo. Zásoby této suroviny jsou velmi značné a během 150 let nehrozí jejich vyčerpání. V automobilech se plní pod tlakem do 80 litrových nádrží. O zvýšení dojezdu vozidla se nedá pochybovat. Jde také o fosilní palivo, ale škodliviny produkované z tohoto zdroje jsou mnohem menší a splňují předepsané normy EU4. Metan lze snadno získávat i z odpadů. V budoucnu je potřeba zjednodušit možnost tankování a rozšířit síť čerpacích stanic. 9.5. Bionafta Po technologickém zpracování řepky lze z jednoho hektaru získat až 1000 kg surového oleje. Ten není přímo využitelný jako palivo ve vznětových motorech. Musí se proto chemicky upravovat, aby se zlepšily jeho palivářské vlastnosti a přizpůsobily se motorové naftě. Potom vznikne z našeho oleje bionafta, kterou již lze pohánět motorová vozidla. 28
10. Závěr Dnešní životní styl a způsob života je neodmyslitelně spjat s rozvojem dopravy a také se zásadní otázkou dopravy jako celku a jejího vlivu na životní prostředí. Měli bychom se snažit stabilizovat negativní účinky dopravy na životní prostředí a pokusit se je co nejvíce omezit. Ve zkratce lze říci, že vliv dopravy na znečištění ovzduší závisí na množství automobilů na silnicích a pokud se nepodaří snížit množství provozovaných automobilů, či vyvinout nový druh pohonu, nemůžeme očekávat, že pomůžeme životnímu prostředí. Ve větších městech se množství provozu dá řešit formou MHD. Měli bychom vynaložit vetší množství peněz pro údržbu životního prostředí, ale málokdo z nás je ochoten platit za něco, co nevidí. K nejvýraznějším vlivům provozu na životní prostředí se řadí emise oxidu uhličitého, konvenční znečištění (oxidy dusíku, uhlovodíky, troposferický ozón, prach atd. ) hluk, znečištění vody a půdy a dopravní nehody. 29
Použitá literatura: 1. MACHALÍKOVÁ, J. Provozní hmoty automobilové dopravy. Bratislava: Alfa, 1987. 156 s. ISBN 063 702 87. 2. MOLDAN, B. Ekologická dimenze udržitelného rozvoje. Praha: Karolinum, 1999. 102 s. ISBN 80-246-0246-6. 3. HUGHES, J. Velká obrazová všeobecná encyklopedie. Praha: Václav Svojtka, 1999. 792 s. ISBN 80-7237-256-4. 4. VLČEK, J., DRKAL, F. Technika a životní prostředí. Praha: ČVUT, 1994. 237 s. ISBN 80-01-01199-2. 5. JÍLKOVÁ, J. Obchodovatelná emisní povolení. Praha: MŽP - Ostrava,VŠB-TU, 1996.102 s. ISBN 80-7078-379-6. 6. POSPÍCHAL, Z., ROZMAN, J. Ekologické inženýrství. Praha: MŽP Ostrava, VŠB-TU, 1996. 135 s. ISBN 80-7078-373-7. 7. KLUNA, J. Příručka pro opraváře automobilů. 2. vydání. Praha: SNTL, 1993. 482 s. ISBN 80-03-00598-X. 8. Takáts, M. Měření emisí a spalovacích motorů. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997. 111 s. ISBN 80-01-01632-3. 30
Martin Kolouch 1. ročník kombinovaného studia DP-SV Připomínky: Předmět zprávy a název souboru není podle pokynů Úprava první strany není podle pokynů, v rozporu s pokyny je použito logo Mnoho nadbytečných znaků Typografické chyby (30%, 55% aj.) Pro odborný styl nepřijatelné formulace: To není málo, podobný pokles o stejnou hodnotu by totiž znamenal návrat doby ledové... Tyto látky dělíme..., Rozlišujeme složky:... o kterém se zmíním později. Trik spočívá v... Měli bychom se snažit... aj. Chybějící interpunkce ( Pokud není motor dostatečně zahřátý a neujede potřebnou vzdálenost zatěžuje ovzduší... aj.) Zastaralé údaje, v současné době neplatné (Pb: Přidává se do paliva a z výfukových plynů je šířeno do ovzduší. Hlavním zdrojem olova v emisích je zejména silniční doprava a to svými závratnými 97,5%. Olovnatý benzín by od roku 2001 neměl být v ČR v prodeji.!!! Podobně str. 13: olovo - přidává se do benzínu jako antidetonační prostředek pro zvýšení oktanového čísla, snížení množství olova v benzínu je podmíněno velkými investicemi do průmyslu zpracování ropy Tab. 1 nemá popis, není uveden odkaz na zdroj. U olova nesmyslný údaj Str. 13 formátování Pro dokonalé spalování uhlovodíku C 7 H 13 (skládá se z něj benzín)...??????!!! Tab. 2 - zastaralé údaje (končí v r. 1996), chybí odkaz, podobně Pro rok 1997 se očekávalo... Proč je v nadpisech slovo Kapitola? Katalyzátory není uveden systém SCR Hodnocení: nezveřejňuje se 21. 5. 2004 JM 31