Не так чисто, как хотелось бы: что автопром скрывает за технологиями очистки выхлопных газов

Углеродный след, чистый выхлоп, вторичный CO₂ – вы, наверняка, слышали эти термины, даже если не особо интересуетесь экологией. Сюда же добавим тезис о том, что автомобили становятся чище за счет новых технологий, а электромобили и вовсе спасают планету. Вроде звучит красиво, но что на самом деле стоит за этими словами? В этой статье разберемся, как устроена переработка выхлопов, почему CO₂ остается проблемой, и как автопром пытается сократить углеродный след машины. 

Как устроена переработка выхлопных газов в современных авто

Вы когда-нибудь задумывались, что происходит с топливом после того, как оно сгорает в цилиндрах двигателя? Результат этого процесса – выхлопные газы. По сути, это смесь продуктов сгорания топлива и воздуха, включающая как безвредные компоненты (азот, водяной пар), так и вещества, которые сильно влияют на климат и наше здоровье. Например, токсичный CO (угарный газ) может привести к кислородному голоданию (гипоксии) всех органов и тканей в организме, а NOₓ (окись и двуокись азота) провоцируют смог и кислотные дожди. 

Выхлопные газы автомобиля. Фото michiganautoandtire.com

О вреде выхлопных газов заговорили еще в середине XX века, когда в крупных городах США и Европы стали появляться устойчивые смоговые купола. А исследования Калифорнийского технологического института 1950-1960-х годов впервые доказали прямую связь автомобильного транспорта с загрязнением воздуха мегаполисов. Позже Всемирная организация здравоохранения подтвердила, что оксиды азота и мелкие частицы становятся причиной заболеваний дыхательной системы и увеличивают нагрузку на сердечно-сосудистую систему. 

И как только масштабы проблемы стали очевидными, ученые массово стали пытаться снизить вред выхлопов. Сегодня для переработки газов используются три ключевые технологии: каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр (DPF) и систему SCR с впрыском реагентов (например, «AdBlue»).

Каталитический нейтрализатор: превращение вредных веществ в менее вредные

Катализатор – это устройство в выхлопной системе автомобиля, которое химически преобразует токсичные выхлопные газы в менее вредные вещества. Например, CO (угарный газ) превращается в CO₂ – менее токсичную форму, а несгоревшие углеводороды (HC) окисляются до воды и CO₂.

Каталитический нейтрализатор. Фото lakeexpo.com

Для эффективной работы катализатора важны температура (от 250 до 400°C) и корректное соотношение топлива и воздуха. Именно поэтому современными двигателями управляет электроника: она поддерживает смесь в пределах, при которых катализатор работает максимально эффективно.

Сажевый фильтр (DPF): ловушка для частиц

Если катализатор работает с газами, то DPF (Diesel Particulate Filter) отвечает за улавливание твердых частиц – микроскопической сажи, образующейся при сгорании дизельного топлива. Фильтр состоит из пористого керамического материала, через который проходят выхлопные газы, а частицы остаются внутри. 

После накопления частиц запускается процесс регенерации или очистки. При повышении температуры (обычно выше 550°C) сажа сгорает, превращаясь в CO₂ и оставляя фильтр чистым для дальнейшей работы. Это может происходить как естественно (при движении по трассе), так и механически (запускается электроникой).

Сажевый фильтр (DPF). Фото warrantywise.co.uk

SCR с впрыском реагентов: борьба с оксидами азота (NOₓ)

Система SCR (Selective Catalytic Reduction – селективная каталитическая нейтрализация) применяется преимущественно на современных дизельных двигателях. Ее задача – снижение NOₓ, которые трудно устранить обычным катализатором. Если опустить химические формулы, то благодаря SCR вредный азот превращается в безвредный. Эта технология позволяет снижать выбросы NOₓ на 80-90% и уже давно стала обязательной для дизелей.

Каждая из этих технологий работает с разными загрязнителями, но парадокс в том, что эти системы не снижают выброс CO₂. А углеродный след долгое время оставался вне поля зрения мировой автопромышленности.

Что такое углеродный след и почему все о нем говорят? 

Углеродный след (carbon footprint) – это суммарное количество выбросов парниковых газов, связанных с жизненным циклом продукта: от добычи сырья и производства до эксплуатации и утилизации. Другими словами, это попытка измерить не только то, что вылетает из выхлопной трубы, но и всё, что стоит за появлением и существованием автомобиля. Сам след состоит из множества парниковых газов, но ключевым является именно CO₂ (углекислый газ). 

Углеродный след автомобиля. Фото mycarcredit.co.uk

Чтобы понять, сколько машина создает CO₂ от рождения до утилизации, автопроизводители рассчитывают так называемый LCA (оценка жизненного цикла). Оценка жизненного цикла авто помогает узнать, насколько технология действительно «зеленая». Ведь автомобиль может быть чистым в городе, но иметь высокий производственный след. Или, наоборот, быть «грязным» в эксплуатации, но компенсировать все длительным сроком службы и эффективной переработкой.

Почему CO₂ остается «невидимым» и как автопром пытается его сократить

Основная проблема – в химии. CO₂ образуется при полном сгорании топлива и представляет собой стабильную молекулу. Чтобы удалить ее из газовой смеси, требуются высокая температура, давление или специальные катализаторы. Двигатель автомобиля – ограниченное по размеру, массе и температуре устройство. И пока что невозможно эффективно уловить и переработать углекислый газ в условиях выхлопной системы. 

Но это не значит, что автопроизводители махнули рукой на этого невидимого загрязнителя. Вместо фильтрации они сделали ставку на предотвращение образования углекислого газа. Чтобы уменьшить CO₂-интенсивность, автопроизводители:

• повышают эффективность ДВС. Для этого, например, уменьшается объем и мощность двигателя за счет турбонаддува;
• производят гибриды и электромобили. MHEV (мягкие гибриды) экономят 5-10%, HEV (полные гибриды) – до 30%, PHEV (подзаряжаемые гибриды) позволяют проезжать часть дистанции без выхлопа, а EV (электромобили) полностью устраняют локальные выбросы;
• используют альтернативные виды топлива (био- и синтетическое топливо, водород);
• снижают массу и оптимизируют аэродинамику машины. Чем легче автомобиль и чем меньше сопротивление встречному потоку, тем меньше энергии нужно для движения, следовательно, и топлива;
• переходят на низкоуглеродное производство. Автомобиль выпускает CO₂ еще до попадания на дорогу, пока его производят. Поэтому компании все чаще сокращают выбросы на заводах, а не только в готовом автомобиле. Это делается за счет вторичной переработки материалов, включая металлы, перехода на возобновляемые источники энергии, выпуска низкоуглеродистой стали и алюминия.

Производство BMW из низкоуглеродистой стали. Фото voisplanet.com

Вторичная переработка катализаторов: как старые авто помогают экономить углерод

Уменьшить нагрузку на добывающую промышленность и снизить вторичный углеродный след можно благодаря переработке катализаторов. Они содержат редкие и энергоемкие в добыче металлы (платину, палладий и родий), производство которых требует значительных ресурсов. Но за счет переработки можно вернуть до 90-95% платиноидов. Как итог – меньше рудников, меньше транспортировки и меньше связанных с этим выбросов CO₂.

Переработка катализаторов давно стала частью европейской системы – это закреплено в директиве End of Life Vehicles. Но реализация зависит от инфраструктуры: в странах, где развит сбор и легальная переработка, отрасль действительно экономит ресурсы и снижает выбросы. Там же, где отсутствуют стимулы или контроль, катализаторы часто уходят в серый оборот, а экологический эффект теряется. 

Вторичная переработка катализаторов. Фото blancomet.co.uk

Mazda Vision X-Coupe: автомобиль, «высасывающий» свой CO₂

Есть и более инновационные идеи. В начале ноября Mazda представила концепт-кар Vision X-Coupe. Но это не просто еще один спортивный гибрид, а настоящий научный эксперимент. Машина оснащена системой Mobile Carbon Capture, которая способна «всасывать» до 20% CO₂ из выхлопных газов до того, как они попадут в атмосферу. То есть вместо выброса углерода – его сбор, хранение и потенциальное повторное использование, например, для синтеза топлива или материалов. 

Однако у технологии есть и серьезные ограничения в использовании. Во-первых, нужно иметь инфраструктуру для сброса и переработки накопленного газа. Во-вторых, систему нужно обслуживать примерно раз в месяц. Кому-то покажется, что это не так часто, чтобы быть проблемой. Да, вот только это обслуживание также требует новой логистики. В-третьих, 20% – важный шаг, но он не может конкурировать с эффектом от электрификации или уменьшения расхода топлива. Поэтому Mobile Carbon Capture – скорее частично работающий эксперимент, нежели массовое решение. 

Mazda Vision X-Coupe. Фото auto.ru

Куда смотрит автопром и что это значит для автовладельцев 

Да, современные технологии очистки выхлопа сделали автомобили значительно менее токсичными для города, но они не решают главной климатической задачи – сокращения выброса CO₂. При этом требования со стороны правительств и ужесточения экологических норм будут вынуждать автопроизводителей если не искать пути решения проблемы, то хотя бы вкладываться в предотвращение появления углеродного следа.

Для автовладельца это означает простую вещь: экологичность автомобиля больше не определяется только выхлопом. Она складывается из происхождения топлива или электроэнергии, материалов в конструкции, условий производства и того, насколько цивилизованно машина будет переработана в конце своего жизненного цикла. И чем яснее мы понимаем эту цепочку, тем проще оценить, насколько зеленой будет покупка.