Метод расчета и расценка эмиссии автотранспортных средств с использованием программы COPERT-4



This work presents a mathematical model of COPERT-4 capable of calculating CO2, NOx and PM emissions based on statistical data for emissions source of country level. The key results of the study show that calculating vehicles emission by using the COPERT-4 methodology can improve the calculating methodology and assisment of chemical content of pollutants in the country. The methodology can improve the assisment of air pollution level by vehicles and to measure prevention methods to reduce emissions using modern methodologies. In Azerbaijan the calculating of emissions is conduct by old soviet methodology which is not capable to calculate all vehicles emission.

Keywords: air pollution, CO2 emissions, air quality, vehicle emissions, COPERT-4, fuel combustion,, fuel consumption, NOx emissions.

Экономичное развитие в Азербайджане стимулирует увеличение числа транспортных средств, что является одной из причин загрязнения атмосферного воздуха в городах Азербайджана. С 2000 по 2010 год число транспортных средств увеличилось в 2,4 раза. Только количество автомобилей в стране за последние 9 лет изменилось с 612069 (2005) до 1291000 (2014) ед., то есть более чем на 110 %, из них наибольший прирост (50,2 %) приходится на долю легкового автотранспорта, а наименьший (10 %) на долю автобусов. Плотность автопарка составляет 52 машины на 1 км шоссе. Автопарк на 82 % представлен легковыми, на 12,0 % - грузовыми автомобилями, на 3,0 % - автобусами и специальной техникой [4]. Состав автопарка включает в себя 52 % автомобилей, производимых в странах Европы, в США, Южной Корее и Японии и 48 % производимых в России и бывшем Советском Союзе. По официальным данным в Азербайджане имеется 1,291 млн (2014) автомобильных средств, и это число увеличивается на 50,0 тысяч автомобилей ежегодно (6–8 %). Производимое в Республике топливо в основном используются в автомобильном транспорте. По официальным данным, в 2014 году в Азербайджане в транспортном секторе было использовано 1,36 миллиона тонн бензина, 897 тысяч тонн дизельного топлива и 23,1 тысяч тонн сжиженного природного газа, из которых 193 тысячи тонн бензина было импортировано. Ежегодный рост потребления топлива одновременно увеличивает загрязнение атмосферного воздуха [4].

Влияние транспорта на загрязнение атмосферного воздуха зависит от нескольких причин: техническое состояние автомобиля, качество топлива, температура окружающей среды, дорожная инфраструктура и других параметров. На основе экспериментальных методов фактически не возможны измерение и оценка выхлопных газов от автомобильного транспорта. В Азербайджане до сих пор эмиссия от транспортного сектора вычисляется по советским методологиям (Н. Ф. Тишенко «Охрана атмосферного воздуха» Москва-1991), в которых не учитывается модернизованное техническое состояние новых европейских автомобилей. Метод COPERT-4 (Computer programs to calculate emission from road transport)учитывает эмиссию в различных режимах двигателей, вождения и скорости, а также состояние дорожной инфраструктуры и техническое состояние транспортного средства.

Программа COPERT-4 может рассчитывать эмиссию транспорта по многим параметрам и различным режимам вождения автомобилей. Эта программа разработана и модернизована Европейским агенством по окружающей среде (EEA) и научно обоснована в Объединённом исследовательском центре (Joint Research Center). Методология COPERT-4 EMEP/EEA (путеводитель-справочник) основывается на инвентаризации транспортных средств и применяется в европейских странах официально для инвентаризации и расчета эмиссии транспортных средств и представляет годовые отчеты [10,6]. Этот метод имеет возможность расценивать эмиссии двигателей внутреннего сгорания, таких как бензиновые, дизельные и двигателей, работающих на сжатом природном газе. Такие эмиссии, как CO, NOx, VOC, PM, NH3, SO2, тяжелые металлы и парниковые газы, такие как CO2, N2O и CH4. (Ntziachristos et al., 2009; Gkatzoflias et al., 2007; Ntziachristos & Samaras 2012). Автомобильные эмиссии рассчитываются по следующим параметрам: среднегодовой пробег, высокая средняя скорость, скорость движения автомобилей на городских, сельских и главных дорогах, типы транспортных средств, объем двигателя, тип топлива и т. п. [2]

Для расчета эмиссии согласно методологии, в программу включаются нижеследующие данные: количество автомобильных средств, годовая температура окружающей среды, годовое атмосферное давление, годовые данные по влажности, объём двигателей автомобильных средств, техническое параметры автомобилей, выпуск автомобилей, отвечающих стандартам Евро, скорость автомобилей в различных положениях, география дорожной инфраструктуры и другие. В программе COPERT-4 применяются коэффициенты, разработанные согласно техническому положению и году выпуска автомобилей. Мы здесь ссылаемся на наиболее оптимальные объяснения и модели расчета параметров эмиссии [1]. Программа COPERT-4 может рассчитывать эмиссию автомобилей, резко замедляющих скорость после быстрой езды, процесс, при котором эмиссия немного увеличивается. Также программа рассчитывает эмиссию таких веществ как карбон-монооксид- CO, оксидов –азота -NOx, оксид серы -SO2, СхHx, PM, NH3, твёрдые частицы и т. п., включая расход топлива. По сравнению с официальными параметрами, программа имеет возможность прогнозировать эмиссию на будущее. Для расчета оксида-серы используется объём серы в топливе, производимый SOCAR (для бензина 50 mg/kg (50 ppm), дизель-200 mg/kg(200 ppm).

Методология расчёта.

В целом, общие выбросы рассчитывались путем сложения выбросов от трех различных источников, а именно, термически стабилизированная работа двигателя (горячий период), фаза нагревания (холодный запуск) и испарение. Разделение выбросов на стабилизированную и разогревательную стадии необходимо из-за значительных различий в объемах выбросов автомобиля в условиях этих двух стадий. Концентрация большинства загрязняющих веществ в течение стадии разогрева в несколько раз выше, чем во время горячей стадии работы двигателя, и требуются различные методологические подходы, чтобы оценить избыточные выбросы в этот период. В связи с этим, общие выбросы рассчитывались по следующей формуле [7]:

ETOTAL = Njх Mj,kх eHOTi,j,k + ECOLD(1)

где ETOTAL — общий выброс (г) любого загрязнителя в пространственном и временном разрешении;

Основная формула для расчета “горячих” выбросов с использованием экспериментальных значений коэффициентов выбросов выглядит следующим образом: выбросы за определенный период времени [г] = коэффициент выбросов [г/км] х количество машин [штук] х пробег за определенный период времени каждой машины [км/машину]. Было сделано предположение, что коэффициенты горячих эмиссий зависят только от средней скорости и будут рассчитываться для периода времени, равного году;

Nj — количество автомашин (штук) класса j за рассматриваемый год.

Mj,k — пробег автомашины (км/ машину) класса транспорта j, двигавшегося по дорогам типа k;

eHOT;i,j,k — среднее значение коэффициента выброса по репрезентативной выборке [г/км] для загрязняющего вещества i, для класса машин j, движущийся по дорогам типа k, с двигателем, нагретым до рабочей температуры и с системой дополнительной очистки выхлопных газов.

ECOLD — выбросы (г) во время переходной термической стадии работы двигателя (холодный запуск), которые вводятся в расчет как дополнительные выбросы на км с помощью следующей формулы:

ECOLD;i,j = bi,j x Nj x Mj x eHOT; i,j x (eCOLD/eHOT|i,j -1)

где bij доля пробега, пройденная с холодным двигателем или катализатором, не нагретым до рабочей температуры;

Nj количество машин (штук) в классе j;

Mj общий пробег машины (км/машину) в классе транспорта j;

eCOLD./eHOT|i,j. отношение “холодных” выбросов к “горячим” выбросам загрязнителя i, относящихся к машинам класса j.

С учетом изложенного, формула (1) приобретает вид:

ETOTAL = Nj х Mj,k х eHOTi,j,k х (1+ bi,jx (eCOLD/eHOT|i,j-1))(2)

Среднее значение коэффициента выброса eHOT;i,j,k за год рассчитано по методологии COPERT -4 и приведено в следующей таблице[7,8].

Таблица 1

Среднее за год значение коэффициента по горячий фаза

Топливо	Загрязняющее вещество	Среднее за год значение коэффициента eHOT;i,j,k
Бензин	CO	1,45
	NOx	1,02
	VOC	1,30
	РМ	1,23
	Топливо	1,10
Дизель	CO	1,15
	NOx	1,04
	VOC	1,29
	РМ	1,26
	Топливо	1,07

Существует три основных источника выбросов при испарении бензина транспортных средств:

1. суточные выбросы
2. выбросы при выключении двигателя
3. выбросы во время движения

Суточные выбросы

Выбросы при испарении бензина, связанные с суточными колебаниями температуры окружающей среды, происходят при расширении паров в бензобаке вследствие повышения температуры окружающей среды в дневные часы. При отсутствии системы регулирования выбросов, некоторое количество паров выбрасывается в атмосферу. В ночные часы, когда температура падает, пар сжимается, и свежий воздух через отверстие попадает в бензобак. Это снижает концентрацию углеводородов в паровом пространстве над жидким бензином и ведет к дополнительному испарению [8].

Выбросы при выключении горячего двигателя

Этот вид выбросов возникает при выключении горячего двигателя. Тепло из двигателя и выхлопной системы повышает температуру топлива, которое больше не подается в систему. Особенно значительным источником этого вида выбросов являются поплавковые камеры карбюратора.

Выбросы во время движения

Эти выбросы возникают в результате образования паров в бензобаках в процессе работы автомобиля. Эти потери наиболее значительны при высокой температуре окружающей среды. Совместное воздействие высокой наружной температуры и нагретой выхлопной системы может привести к образованию значительного количества паров в бензобаке. На все три вида выбросов при испарении значительное влияние оказывают летучесть используемого бензина, абсолютная температура окружающей среды и температурные колебания, а также конструкционные характеристики транспорта. Для выбросов при выключении двигателя и выбросов во время движения также важен режим движения [8,9]. Среднее значение коэффициента выброса летучих органических соединений при испарении за год рассчитано по методологии COPERT -4 и приведено в следующей таблице.

Таблица 2

Выбросы летучих органических соединений (ЛОС) при испарении из топливной системы транспортного средства,г/(сут.·авт)и г/авт.км

		Среднее за год
Испарение из бака из-за суточного колебания температур	г/(сут.·авт.)	2,96
Испарение после движения	г/(сут.·авт.)	24,9
Испарение при движении	г/авт.·км	0,083

Выбросы при различных условиях вождения

Выбросы от транспорта в значительной степени зависят от условий работы двигателя. Различные ситуации вождения приводят к различным условиям работы двигателя и соответственно к разным объемам выбросов. В связи с этим сделано разделение на вождение в городской, сельской местности и по главным шоссе, чтобы учесть вариации, вызванные условиями вождения.

Также, по определению выбросы от холодного запуска двигателя относятся к вождению в городской местности, поскольку сделано предположение, что большая часть машин начинает движение в городе. Поэтому, при рассмотрении условий вождения (пространственное разделение) общие выбросы могут быть рассчитаны с помощью следующей формулы:

ETOTAL = EURBAN + ERURAL + EHIGHWAY(3)

Учетскоростимашины

Скорость движения транспорта, учитываемая при расчете в виде трех типов вождения, оказывает значительное влияние на величину выбросов. Для расчета выбросов был применен метод с использованием коэффициентов выбросов, зависящих от одного среднего значения скорости, характерного для каждого типа дорог — «городских», «сельских» и «шоссе» (например, для легковых автомобилей была выбрана расчетная средняя скорость 40 км/ч, 70 км/ч и 90 км/ч, соответственно).

Выбросы, зависящие от расхода топлива

В данной категории рассчитывались выбросы диоксида серы SO2 с предположением, что вся сера в топливе полностью трансформируется в SO2, с использованием следующей формулы:

ESO2,j = 2 x kS,m x FCj,m(4)

где kS,m — весовое содержание серы в топливе типа m [кг/кг топлива];

FCj,m — потребление топлива типа m транспортным средством класса j, кг.

Расчет выбросов

Для расчета выбросов применялись формулы, приведенные в методологии COPERT 4 для автомобилей всех типов, предусмотренных законодательством, приведенные в таблице 3. Для расчета выбирался процент автомобилей, соответствующих данному законодательству и тем самым определялся коэффициент выброса каждого загрязняющего вещества для каждого из типов дорог — «городских», «сельских» и «магистралей». Ниже приведен подробный пример расчета для легковых бензиновых автомобилей и сводные данные, полученные в результате расчета коэффициентов выброса[3,10].

Исходя из данных национальной статистики, протяженность автодорог в Азербайджане составляет 18,9 тысяч километров, в том числе приблизительно 6,4 тыс. кв. км. — это дороги с твердым покрытием, 3,4 тыс. кв. км. — с асфальтным покрытием, 4,3 тыс. километров республиканских, 13,0 тыс. километров местных дорог, 2,2 тыс. км в городах и населённых пунктах. Для исследования разделенных по торговым маркам и году выпуска автомобилей (раздел легковых автомобилей, грузовых автомобилей и автобусов), тщательно изучены и обсуждены все данные, включенные в программу[4]. Среднегодовая температура в течение года по месяцам по всей стране, процент влажности воздуха, атмосферного давления, объем и параметры топлива, скорость автомобилей на городских, сельских и главных дорогах и средний процент времени (%), автомобили отвечающие стандартам и директивам ЕС. Результаты расчета по программе COPERT 4 приведены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты расчета по программе COPERT-4

№	Название эмиссии.	В городских дорогах (тыс. тонн)	В сельских дорогах (тыс. тонн)	В главных дорогах (тыс. тон)	Всего выбросов (тыс. тонн)
1	Оксид-карбона-CO	183,21	119,9	105,01	408,12
2	Летучие органические соединения (ЛОС)	21,99	12,3	11,16	44,57
3	Не метан летучие органические соединения (НМЛОС)	10,7	11,78	19,74	42,21
4	Оксид-азота-NOx	34,29	20,58	14,05	68.9
5	Оксид-азота NO	32,48	19,4	13,218	65,101
6	2-Оксид-азота NO2	3,81	1,16	0,83	3,81
7	N2O	0,089	0,061	0.11	0,256
8	PM 2,5	0,321	0,282	0,245	0,849
9	PM 10	0,335	0,381	0,382	1, 099
10	PM exhaust	0,149	0,168	0,227	0,544
11	Другие выбросы (Mетан CH4,NH3,EC, OM,SO2)	1,047	1,05	1,682	3,78
12	Всего:	288.421	187,062	166,654	642,018

Как видно в таблице 3 выбросы карбон монооксида СО больше по сравнению с другими выбросами. Если сравнить уровень выброса на городских, сельских и главных дорогах, то можно сделать вывод, что эмиссии выбрасывается больше всего на городских улицах, меньше на сельских, и менее всего на главных дорогах. По результатом расчета, всего объем выбросов составляет 642,018 тыс. тонн, из которых 408,126 — карбон-монооксид (63,6 %) (183,213 (44,9 %) тыс. тонн на городских, 119,897 (29,4 %) тыс. тонн на сельских, 105,015 (25,7 %) тыс. тонн на главных дорогах). Выбросы по параметрам: летучие органические соединения (ЛОС) составляют 44,57 (7,0 %) тыс. тонн (22,0 (4,9 %) тыс. тонн на городских, 12,3 (2,7 %) тыс. тонн на сельских, 11,16 (2,5 %) тыс. тонн на главных дорогах). Неметановые летучие органические соединения (НМЛОС) составляют 42,21 (6,6 %)тыс. тонн (19,74 (4,7 %) тыс. тонн на городских, 11,78 (2,8 %) тыс. тонн на сельских, 10,7 (2,5 %) тыс. тонн на главных дорогах), выбросы по метану (СН4) составляют 2,35 (0,37 %) тыс. тонн (1,36 тыс. тонн на городских, 0,52 тыс. тонн на сельских 0,47 тыс. тонн на главных дорогах). Выбросы по азот-оксидам -NOx составляют 68,911 (10,7 %) тыс. тонн (14,5 (21%) тыс. тонн на городских, 20,56 (29,8%) тыс. тонн на сельских 34,29 (49,7 %) тыс. тонн на главных дорогах). Как видно из расчета, выброс по оксидам азота намного больше на сельских и главных дорогах по сравнению с городскими.

Сравнение результаты расчета по двух методологиям (Национальная иCOPERT-4)

Расход топлива по методологии COPERT-4 меньше, чем по национальной методологии для бензина на 33,5 тыс. тонн (3 %), для дизельного топлива на 120 тыс. тонн (8 %). Так как национальная статистика дает точную цифру потребления топлива, то, вероятно, данная разница обусловлена тем, что «разница топлива» потребляется не автомобилями, находящимися в эксплуатации в республике, а автомобилями приграничных районов из-за низкой цены на топливо в Республике Иран, а также транзитными автомобилями, осуществляющими перевозки из Российской Федерации и Турции. Если по национальной методологии пересчитать количество топлива, потребленного только транспортными средствами, эксплуатируемыми в Азербайджане, то получатся достаточно близкие цифры по NO2 (+1.4 %) и ЛОС (-5.2 %), что вкладывается в погрешность принятия различных допущений в настоящем отчете в отношении того или иного автомобиля к законодательству ЕС.

По оксиду углерода (CO) и твердым частицам (РМ) показатели по методологии COPERT 4 значительно ниже, чем по национальной методологии: СО — на 28,6 %, РМ — на 30,0 %, что говорит о том, что если сделать очень серьезный анализ всех типов транспортных средств и правильно их распределить на соответствие законодательству ЕС, то получается, что удельные показатели СО и РМ завышены в национальной методологии.

Рис. 1. В диаграмме представлены выбросы карбон монооксида СО в городских, сельских и главных дорогах

Результаты.

Для расчета по программе COPERT-4 были использованы официальные данные Государственного Статистического Комитета Азербайджана по 2014 год. Полученные результаты по параметрам и объёму отличаются от официальных данных. Также рассчитаны другие выбросы, которые никогда не рассчитывались прежде: аммиак NH3, метан СН4, ЕС, ОМ и SO2. Программа COPERT-4 имеет возможность диагностики выбросов в будущем согласно изменениям автотранспортного состава. Было сфокусировано внимание на выбросах загрязняющих воздух веществ – продуктов работы автотранспорта, в том числе для расчета по вышеупомянутой программе, представлена и исследована необходимая информация. С помощью этой программы можно также рассчитывать уровень парниковых газов, в комплексе с другими загрязнителями воздуха, что позволяет делать оценки и прогнозы и координировать политику в области изменения климата. Помимо этого, с помощью данной программы можно разработать предложения по уменьшению расходов топлива, прогнозировать дефицит того или иного горючего по изменению состава АТС. Используя широкий спектр возможностей данной программы, можно производить работы по выявлению источников выбросов и инвентаризации автомобильного парка. При использовании этого метода можно оценить перспективы роста и эмиссии автомобильного транспорта в течение нескольких лет.

В Азербайджане расчет эмиссий транспортного сектора проводится советскими методами, которые позволяют рассчитать только выбросы карбон-оксида и не имеют возможности рассчитывать все эмиссии с учетом всех типов автомобилей. Использование программы COPERT-4 может коренным образом изменить методологию расчета и инвентаризации транспортных средств и выбросов и пути внедрения современных методов для уменьшения загрязнения в Республике. Этот метод позволяет расценить эмиссии и провести инвентаризацию транспорта.

Литература:

1. A scenario evaluation model for application of CO2 and air pollutant reduction policies. D. Gkatzofias, Ch. Kouridis, G. Mellios. V. Saliakas, P. Katsis-2009..
2. A methodology to estimate real-world vehicle fuel use and emission based on certification cycle data. Gonchalo O. Duare, Gonchalo A. Gonchalves,Tiago L.Farias..Elsevier. Procedia — Social and Behavioral Sciences 111 (2014) 702–710
3. Towards improved vehicle emissions estimation in Europe. V.Franco, G.Fantaras, P. Dilara-2013
4. Государственного Статистического Комитета Азербайджана.www.azstat.gov.az
5. U. S. Energy Information Administration (2010), International Energy Outlook 2010, U. S. Energy Information Administration, Washington DC.
6. European Environment Agency (2010), The contribution of transport to air quality — TERM 2012: transport indicators tracking progress towards environmental targets in Europe, European Environment Agency
7. Silva, C., Farias T., Frey H., Rouphail N. (2006) Evaluation of numerical models for simulation of real-world hot-stabilized fuel consumption and emissions of gasoline light-duty vehicles, Transportation Research Part D, 11, 377–385.
8. Ntziachristos, L., Gkatzoflias, D., Kouridis, C. & Samaras, Z. (2009), COPERT: A European Road Transport Emission Inventory model, Environmental Science and Engineering.
9. Gkatzoflias, D., Couridis, C., Ntziachristos, L. & Samaras, Z. (2007), Copert 4 Computer programme to calculate emissions from road transport, Laboratory of Applied Thermodynamics Mechanical Engineering Department Aristotle University Thessaloniki.
10. Ntziachristos, L. & Samaras, Z. (2012), Exhaust emissions for road transport — EMEP/EEA Emission Inventory Guidebook 2009, European Environment Agency.
11. Smit, R., Smokers, R., Rabé E. (2007), A new modelling approach for road traffic emissions: VERSIT+, Transportation Research Part D, 12, 414–442
12. Tzirakis, E., Pitsas, K., Zannikos, F &, Stournas, S. (2006), Vehicle Emissions and Driving Cycles: Comparison of the Athens Driving Cycle (ADS) with ECE-15 and European Driving Cycle (EDC),Global NEST Journal, 8, 282–290.