Какой тип автомобиля наиболее экологичен по методологии LCA?

Исследователи сочли полный экологический след автомобиля – от производства до утилизации. Результаты оказались более интересными, чем принято считать

Когда речь заходит об экологичности электромобилей, дискуссия обычно сводится к одному аргументу: «ноль выбросов из выхлопной трубы». Это правда – только часть правды. Автомобиль не существует в вакууме: он производится на заводе, питается электросетью, а после завершения службы подлежит утилизации. И на каждом из этих этапов есть свой экологический след

Именно поэтому ученые уже несколько десятилетий используют методологию оценки жизненного цикла – Life Cycle Assessment, или сокращенно LCA. Это системный подход, позволяющий счесть совокупное экологическое влияние продукта или технологии на всех этапах существования: от добычи сырья до обращения с отходами. Для оценки автомобилей ученые учитывают все — от производства кузова, двигателя и аккумулятора, поставки топлива или электроэнергии, ежедневной эксплуатации и, наконец, до разборки и утилизации

Исследователи из RSE – Ricerca Sistema Energetico («Исследование энергетических систем», Милан, Италия) – провели именно такое полноценное LCA-исследование, опубликованное в журнале Modern Environmental Science and Engineering еще в 2019 году. В нем сравнили шесть реальных моделей автомобилей в трех вариантах привода – электрическом, бензиновом и дизельном. Участвовали довольно демократичные Smart Fortwo, Chevrolet Spark, Fiat 500, Volkswagen Golf, Ford Focus и Kia Soul

Методология: что же учитывали и откуда брали данные? 

Прежде чем переходить к результатам, следует разобраться в том, что именно измеряли ученые, и что такое «функциональная единица исследования» или один пассажиро-километр. Он означает, что все выбросы и погрузки на окружающую среду рассчитываются на 1 км пути с учетом среднего коэффициента погрузки автомобиля – 1,62 пассажира на транспортное средство. Такой подход позволяет корректно сравнивать разные технологии между собой, а также с другими видами транспорта

Данные о расходе топлива и энергии на фазу эксплуатации взяты из базы Агентства по охране окружающей среды США (EPA) – одной из наиболее унифицированных и методологически последовательных баз такого рода в мире. Она позволяет сравнивать автомобили по одинаковому городскому ездовому циклу, что важно, поскольку исследователи сознательно сосредоточились на городской эксплуатации – среде, где электромобили наиболее востребованы

Особое внимание было уделено корректному отражению энергетического микса для зарядки электромобилей. Вместо усредненного показателя доли возобновляемых источников в сети исследователи использовали так называемое маргинальное смешивание: то есть тот набор генерирующих мощностей, который фактически удовлетворяет дополнительный спрос в часы пик. Для Италии 2014 года этот маргинальный микс содержал значительно меньше возобновляемого поколения, чем среднесетевой показатель, что делает расчеты более консервативными и реалистичными

Срок службы автомобилей в исследовании дифференцирован по классу и типу привода. Для бензиновых малолитражек принят ресурс 150 000 км, 200 000 – для дизельных и 175 000 км – для электрических. Для семейных автомобилей соответствующие показатели выше: 210 000, 240 000 и 230 000 км. Такой подход точнее отражает реальный рынок, чем единый ресурс для всех категорий, используемых в базе данных Ecoinvent v3

Где электромобиль выигрывает безусловно? 

Наиболее однозначный результат касается парниковых газов. По полному циклу от производства до утилизации электромобили сокращают выбросы CO₂-эквивалента примерно вдвое по сравнению с аналогичными бензиновыми автомобилями. И это при том, что ученые сознательно избрали консервативный подход к расчету энергетического микса – то есть реальное преимущество может оказаться еще более ощутимым в регионах с более высокой долей возобновляемых источников в электросети

Важно, что это преимущество сохраняется вне зависимости от класса автомобиля. И микролитражка Smart, и семейный Kia Soul – оба демонстрируют существенно более низкий углеродный след в электрической версии. Это опровергает распространенный миф о том, что электромобили выигрывают в экологическом плане только в определенных сегментах

Похожая картина наблюдается и по поводу образования фотохимического озона (тропосферного смога), возникающего в результате реакции выхлопных газов с солнечным светом. Во всех без исключения проанализированных парах электромобиль показывает лучший результат, чем бензиновый или дизельный аналог

Мелкодисперсные частицы – другой болезненный пункт для традиционных двигателей – также оказываются значительно ниже электромобилей. Есть отдельные исключения: например, бензиновая Fiat 500 с двухмоторным агрегатом TwinAir 0,9л показывает результаты, сравнимые с электрической версией, благодаря исключительной эффективности двигателя. Аналогичная ситуация – с электрическим Ford Focus образца 2015 года: он оказался чрезвычайно трудным для своего класса, что существенно ухудшает его показатели при расчете на километр пробега

Где преимущества не столь однозначны? 

Анализ выявил две категории воздействия, где электромобили уступают традиционным. Речь идет об эвтрофификации пресных вод (процесс чрезмерного обогащения водоемов биогенными элементами (азотом и фосфором), что влечет за собой бурное развитие водорослей («цветение» воды), снижение прозрачности и дефицит кислорода) и токсичность для человека

Оба эти показателя напрямую связаны с производством литий-ионных аккумуляторов. Добыча и переработка материалов для батарей – кобальта, никеля, марганца, лития – сопровождаются значительной экологической нагрузкой в ​​местах добычи. Они провоцируют попадание токсичных веществ в грунтовые и поверхностные воды, а также непосредственно угрожают здоровью людей, занятых в горнодобывающей отрасли

Такие последствия в основном возникают за пределами стран, где электромобили покупаются и используются. Да, элементы аккумуляторов для VW e-Golf производятся в Южной Корее, а большинство сырья поступает из-за пределов ЕС

Однако авторы исследования подчеркивают: даже учитывая эти недостатки, общий экологический баланс электромобилей остается положительным в подавляющем большинстве категорий воздействия. Проблема токсичности – вызов для горнодобывающей и перерабатывающей отраслей, а не приговор для электромобильной технологии как таковой. Кроме того, сейчас все больше производителей батарей переходят на более экологичные натрий-ионные (Sodium-ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4 или LFP) батареи, не содержащие лития и кобальта, более безопасные и доступные

Аккумулятор и «углеродный долг»: сколько времени нужно на окупаемость?

Один из самых обсуждаемых вопросов в контексте экологичности электромобилей – так называемая «углеродная предоплата». Производство аккумулятора требует значительных ресурсов и сопровождается существенными выбросами CO₂. Успевает ли электромобиль «отработать» эти затраты в течение своего ресурса?

Ответ итальянских исследователей: да, и достаточно быстро. По их расчетам производство и утилизация аккумулятора VW e-Golf 2016 года (емкостью 24,2 кВт-ч, массой 312 кг) генерирует около 1972 кг CO₂-эквивалента. Удельная эмиссия составляет около 81,5 кг CO₂e на кВт-ч емкости

Если принять средний годовой пробег 15 000 км, этот углеродный долг перекрывается сэкономленными выбросами примерно за один год эксплуатации. Иными словами, уже на второй год после выхода с завода электромобиль начинает чисто зарабатывать на экологическом счете

Некоторые другие исследования называли более высокие цифры удельных выбросов от производства батарей – до 200 кг CO₂e на кВт-ч. Авторы проверили и этот сценарий в чувствительном анализе. Даже в худшем случае преимущество электромобиля над бензиновым и дизельным аналогами по критерию климатических изменений сохраняется на протяжении всего срока службы. Более массивные и емкие аккумуляторы не обязательно генерируют пропорционально больше выбросов при производстве, поскольку их масса растет значительно медленнее, чем емкость: VW e-Golf 2016 с батареей 24,2 кВт-ч весил 312 кг, тогда как версия 2017 года 3 кВт-8 с батареей

Географическое измерение: где возникает загрязнение? 

Исследователи провели дополнительный анализ для VW Golf – самого распространенного автомобиля среднего класса в Европе – распределив влияние по четырем географическим зонам: Италия (место эксплуатации), Германия (место производства), ЕС в целом и страны за пределами ЕС. Такой анализ показал интересную закономерность: если оценивать только нагрузки, возникающие непосредственно в Италии, где автомобиль ездит, ответ на вопрос «электрический или традиционный?». становится еще более отчетливой в пользу EV. Прямое загрязнение от электромобиля в зоне использования – минимальное

В то же время, за пределами ЕС сосредоточены значительные выбросы от производства аккумуляторных элементов и добычи сырья. То есть, полная экологическая оценка любой технологии невозможна без учета глобальной цепочки поставок – и что усовершенствование стандартов добычи и переработки в странах-поставщиках материалов для аккумуляторов будет иметь прямой положительный эффект на сводный баланс

Что осталось за пределами исследования? 

Исследователи отмечают несколько ограничений, открывающих перспективы для будущих исследований 

Все проанализированные электромобили были адаптированы версия бензиновых или дизельных платформ, а не специально спроектированы с нуля EV. Это означает, что они несут в себе определенное избыточное бремя: масса кузова, компоновка и материалы нередко унаследованы от ДВС-платформ и не оптимизированы для электрического привода. Можно предположить, что автомобили, разработанные сразу как электрические, с более легким кузовом и более эффективными решениями, будут иметь еще лучший экологический профиль

Кроме того, с 2019 г. – дать публикации исследования – ситуация в аккумуляторной отрасли кардинально изменилась. Удельные выбросы от производства Li-ion батарей существенно снизились благодаря усовершенствованию технологий и росту доли возобновляемой энергетики. Также развивается переработка батарей, что сокращает потребность в первичной добыче. Все это означает, что реальные преимущества современных электромобилей, которые выходят из конвейера сегодня, еще выше, чем показало исследование 2019 года

Итальянское LCA-исследование подтвердило то, что давно подозревали поклонники электромобилей и до сих пор отрицают некоторые скептики: по полному жизненному циклу – от добычи сырья до утилизации – электромобиль значительно экологичнее, чем бензиновый или дизельный аналог

Это справедливо для всех классов, от микролитражки до семейного кроссовера, даже при консервативных предположениях о «зелености» электросети. И это справедливо даже с учетом углеродного следа от производства аккумулятора, который «окупается» уже в течение первого года эксплуатации

В то же время, есть аспекты, где работа еще не завершена: токсичность от добычи материалов для батарей и эвтрофикация водоемов остаются реальными проблемами – но это вызов для горной и химической промышленности, а не повод отказываться от электромобилизации. Решение этих проблем лежит в плоскости более ответственной добычи, развитии переработки и перехода на менее токсичные химии аккумуляторов – например, LFP, которая уже сейчас значительно скромнее содержания кобальта

Наука дала четкий ответ. Теперь дело за промышленностью, регуляторами и потребителями