Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów samochodowych

(1)

Politechnika Poznańska

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

Mateusz Nowak

Wpływ infrastruktury drogowej

na emisję spalin z pojazdów samochodowych

Rozprawa doktorska

Promotor: dr hab. inż. Jacek Pielecha, prof. PP

Poznań 2016

(2)

Spis treści

Streszczenie ... 3

Wykaz ważniejszych skrótów i symboli ... 4

1. Wprowadzenie ... 6

2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego ... 12

2.1. Struktura rynku samochodowego w Polsce na tle Europy ... 12

2.2. Zanieczyszczenie środowiska przez transport samochodowy ... 16

2.3. Zastosowanie modeli emisji zanieczyszczeń w ocenie stanu środowiska ... 21

3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres ... 32

4. Metodyka badań ... 37

4.1. Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń ... 37

4.2. Obiekt badań ... 40

4.3. Narzędzia badawcze ... 41

4.4. Harmonogram badań ... 43

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów ... 48

5.1. Badania emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą ... 48

5.1.1. Przegląd zarejestrowanych wartości ... 48

5.1.2. Analiza uzyskanych wyników ... 58

5.1.3. Dwuwymiarowe charakterystyki natężenia emisji zanieczyszczeń ... 64

5.2. Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń z transportu drogowego ... 70

5.2.1. Symulacje emisji zanieczyszczeń przejazdu przez miasto ... 70

5.2.2. Symulacje emisji zanieczyszczeń przejazdu obwodnicą miejską... 79

5.2.3. Porównanie wyników symulacji przejazdu przez miasto i obwodnicą ... 90

5.3. Zysk ekologiczny budowania nowej infrastruktury ... 93

5.3.1. Emisja zanieczyszczeń podczas przejazdu przez miasto po wybudowaniu obwodnicy ... 93

5.3.2. Korzyści ekologiczne wybudowania nowej infrastruktury dla potoku ruchu pojazdów ... 95

6. Podsumowanie i kierunki dalszych badań... 101

Literatura ... 106

Summary ... 112

(3)

Streszczenie

Rozprawa stanowi nowoczesne ujęcie zagadnień związanych z oceną emisyjną ist- niejącej i nowo projektowanej infrastruktury drogowej. Wpisuje się jednocześnie w ogólnoświatowy trend ochrony środowiska przez zmniejszenie emisji toksycznych i szkodliwych składników spalin. Przez odpowiednie ukształtowanie dróg oraz zaprojek- towanie infrastruktury drogowej, możliwe jest ograniczanie negatywnego oddziaływa- nia pojazdów na środowisko przez zapewnienie bardziej płynnego przejazdu. Takie podejście jest spójne ze stosowaniem zasad eco-drivingu a jednoczesne wykorzystywa- nie obu tych metod może zaowocować jeszcze mniejszymi wynikami emisji spalin.

Jednym z czynników decydujących o podjęciu niniejszej tematyki było spostrzeżenie, że podczas wykonywania raportów oddziaływania środowiskowego na etapie planowa- nia infrastruktury drogowej, używane są przestarzałe metody szacowania emisji, wyko- rzystujące nieaktualne współczynniki emisyjne.

Podczas realizacji pracy wykorzystano nowoczesną aparaturę badawczą i symulacyj- ną. Pomiary emisji w warunkach ruchu drogowego, obecnie określane jako RDE (Real

Driving Emissions), przeprowadzono z wykorzystaniem aparatury typu PEMS (Porta- ble Emission Measurement System). Tego typu podejście do pomiarów stanowi aktualny

trend rozwoju metod badawczych, umożliwiających zmierzenie rzeczywistej emisji drogowej, znacząco różniącej się od emisji zmierzonej na hamowni podwoziowej przy ściśle określonych warunkach otoczenia. Badania symulacyjne emisji związków szko- dliwych spalin przeprowadzono używając oprogramowania PTV Vissim. Wersja uży- wanego programu była wyposażona w bazę emisyjną pojazdów różnych kategorii emi- syjnych, przy czym na potrzeby pracy wykorzystano dane emisyjne dotyczące samo- chodu osobowego, spełniającego normę Euro 4, czyli analogicznego jaki był wykorzy- stany podczas pomiarów drogowych.

W ramach pracy dokonano analizy problematyki badawczej oraz dostępnych metod

oceny infrastruktury drogowej pod względem emisyjnym. W części badawczej – w

pierwszym etapie – przeprowadzono ocenę emisyjną przejazdu przez miejscowość oraz

obwodnicą miejską dla jednego obiektu badawczego. Dokonano porównania przejaz-

dów pod względem ekologicznym (emisyjnym) i ekonomicznym (zużycia paliwa). Ko-

lejny etap prac dotyczył symulacji przejazdu pojazdem przez miejscowość oraz jej ob-

wodnicą, w wyniku czego dokonano weryfikacji wskaźników emisyjnych zaimplemen-

towanych w programie ze wskaźnikami uzyskanymi z badań drogowych. Po przyjęciu

wskaźników emisyjnych zgodnych z wynikami badań drogowych przystąpiono do sy-

mulacji przejazdu przez miasto i obwodnicę rzeczywistego potoku pojazdów, którego

strukturę przyjęto na podstawie struktury rodzajowej pojazdów występującej na terenie

kraju. Syntezą tych prac było porównanie emisji zanieczyszczeń podczas przejazdu

przez miasto w przypadku już istniejącej nowej infrastruktury drogowej – obwodnicy

miejskiej.

(4)

Wykaz ważniejszych skrótów i symboli

CF – Conformity Factor – wskaźnik emisji zanieczyszczeń pojazdu CNG – Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny

CO – tlenek węgla CO

₂

– dwutlenek węgla

DPF – Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych e – emisja jednostkowa zanieczyszczeń

E – natężenie emisji zanieczyszczeń

ECE – Economic Commission for Europe – Europejska Komisja Gospodarcza ECM – Engine Control Module – moduł pomiarowo-sterujący silnika

ECU – Electronic Control Unit – elektroniczny sterownik (silnika); główny mi- krokontroler sterujący pracą silnika i układów redukcji spalin; miejsce implementacji pokładowych systemów diagnostycznych

EOBD – European On-Board Diagnostic – europejski system diagnostyki pokła- dowej

EU – European Union – Unia Europejska

EUDC – Extra Urban Driving Cycle – pozamiejski europejski test jezdny Euro – normy emisji spalin w Europie

HC – węglowodory

S – długość odcinka pomiarowego

LDV – Light Duty Vehicle – lekki użytkowy pojazd samochodowy o liczbie miejsc do 12 (według klasyfikacji amerykańskiej)

LPG – Liquefied Petroleum Gas – skroplone paliwo gazowe M

o

– moment obrotowy silnika

MPI – Multi Point Injection – wtrysk wielopunktowy n – prędkość obrotowa

NDIR – Non-Dispersive Infrared – niedyspersyjny na podczerwień NDUV – Non-Dispersive Ultraviolet – niedyspersyjny na ultrafiolet N

_e

– moc użyteczna silnika

NEDC – New European Driving Cycle – nowy europejski cykl jezdny – zmodyfi- kowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin NO – tlenek azotu

NO

x

– tlenki azotu

OBD – On-Board Diagnostic – diagnostyka pokładowa (pokładowy system dia- gnostyczny)

PC – Passenger Car – samochód osobowy

PEMS – Portable Emission Measurement System – mobilny system analizatorów spalin

PM – Particle Mass – masa cząstek stałych PN – Particle Number – liczba cząstek stałych ppm – parts per million – liczba części na milion

RDE – Real Driving Emissions – pomiar emisji spalin w rzeczywistych warun- kach ruchu drogowego

SAE – Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Samo- chodowych

SUV – Sports Utility Vehicle – samochód o przeznaczeniu sportowym

t – czas

TEN-T – Trans-European Transport Networks – transeuropejska sieć transportowa

(5)

Wykaz ważniejszych skrótów i symboli 5

u – współczynnik udziału

UDC – Urban Driving Cycle – europejski miejski cykl jezdny UE – Unia Europejska

V – prędkość pojazdu ZI – zapłon iskrowy ZS – zapłon samoczynny



– współczynnik nadmiaru powietrza

(6)

1. Wprowadzenie

Polska z racji swojego położenia w centralnej części Europy, jest terytorium, przez które prowadzą międzynarodowe szlaki komunikacyjne łączące wschód z zachodem i północ z południem kontynentu. Położenie to jest szansą rozwoju, ale też niesie wiele zagrożeń. Jednym z czynników wzrostu gospodarczego państw Europy środkowo- -wschodniej stał się również wzrost natężenia ruchu na drogach, w tym pojazdów cięż- kich. Wiele dróg w Polsce, będących szlakami tranzytowymi, prowadzi przez tereny cenne przyrodniczo, przecina szlaki migracji zwierząt i korytarze ekologiczne. Wpływa to niekorzystnie na środowisko naturalne, powodując jego degradację. Członkostwo w Unii Europejskiej przyspieszyło realizację programu poprawy infrastruktury komunika- cyjnej w Polsce.

Największe natężenie ruchu notuje się na drogach krajowych łączących duże miasta w Polsce, przy czym zazwyczaj ruch zwiększa się (nawet do 200%) w obrębie aglome- racji miejskich [93]. Na podstawie badań wykonywanych w ramach Generalnego Po- miaru Ruchu, na wielu drogach krajowych natężenie ruchu przekracza 15 tys. pojazdów na dobę (rys. 1.1a). Dodatkowo na wielu drogach odnotowano natężenie ruchu powyżej 10 tys. pojazdów na dobę (rys. 1.1b). Należy się spodziewać, że w przeciągu kilku naj- bliższych lat na większości z tych tras odnotuje się wzrost średniego dobowego natęże- nia ruchu [21].

a) b)

Rys. 1.1. Mapa drogowa Polski z zaznaczonymi trasami o średniodobowym natężeniu ruchu wynoszącym ponad 15 tys. pojazdów (a) oraz 10 tys. pojazdów (b) [21]

Do przeprowadzonego w 2015 roku Generalnego Pomiaru Ruchu [75] w 1952 punk- tach pomiarowych (zlokalizowanych na całej sieci dróg krajowych oddanych do użyt- kowania przed 1 lipca 2015 roku) wykorzystano pomiary automatyczne, dane z Punk- tów Poboru Opłat na autostradach płatnych oraz rejestrację z użyciem kamer wideo.

Najważniejsze informacje i wnioski otrzymane na podstawie uzyskanych wyników są następujące (rys. 1.2):

 średni dobowy ruch roczny pojazdów silnikowych w 2015 roku na sieci dróg kra-

jowych wynosił 11 178 pojazdów na dobę; zanotowano duże różnice w obciąże-

niu sieci dróg krajowych w poszczególnych województwach; zdecydowanie naj-

większe obciążenie ruchem, wynoszące ponad 20 000 pojazdów na dobę, wystąpi-

ło w województwie śląskim, mazowieckim i wielkopolskim, a najmniejsze, poni-

(7)

1. Wprowadzenie 7

żej 8000 pojazdów na dobę – w województwach: warmińsko-mazurskim, podla- skim oraz zachodniopomorskim; podobna tendencja ma się utrzymać w ciągu kil- ku kolejnych lat (rys. 1.2b);

 w okresie 2010–2015 ruch na drogach krajowych wzrósł o 14%; zmiany w wiel- kości ruchu pojazdów poszczególnych kategorii były zróżnicowane: największy wzrost ruchu zanotowano dla samochodów ciężarowych z przyczepami, samo- chodów osobowych oraz motocykli, odpowiednio o 18%, 17% i 15%; dla samo- chodów ciężarowych bez przyczep, autobusów i ciągników rolniczych odnotowa- no zmniejszenie ruchu, odpowiednio o 13%, 10% i 9%;

 w 2015 roku nastąpiła poprawa warunków ruchu na drogach krajowych jednojez- dniowych; do roku 2010, pomimo sukcesywnego oddawania do eksploatacji wielu odcinków dróg szybkiego ruchu, inwestycje nie nadążały za wzrostem ruchu, co powodowało, że długość dróg jednojezdniowych obciążonych ruchem powyżej 15 000 pojazdów na dobę stale się zwiększała; w roku 2000 takich odcinków było 497 km, w roku 2005 – 861 km, a w roku 2010 – 1389 km; w 2015 roku tendencja ta odwróciła się i długość dróg jednojezdniowych obciążonych ruchem powyżej 15 000 pojazdów na dobę zmalała o 433 km;

 w 2015 roku występowała duża koncentracja ruchu na wybranych drogach krajo- wych; drogi o długości 2700 km, stanowiące tylko 15% sieci dróg krajowych, przenosiły aż 40% pracy przewozowej na całej sieci dróg krajowych.

a) b)

Rys. 1.2. Mapa drogowa Polski z zaznaczonymi trasami o różnym średniodobowym natężeniu ruchu [pojazdów/dobę]: (a) dla roku 2015, (b) przewidywania na rok 2020 [75]

Natężenie ruchu pojazdów, jego płynność oraz udział pojazdów ciężkich odgrywają główną rolę w poziomie zanieczyszczenia powietrza. Problem ponadnormatywnego zanieczyszczenia powietrza związkami pochodzącymi ze spalin dotyczy głównie wiel- kich aglomeracji miejskich, gdzie natężenie ruchu jest największe. Przekroczenie norm na trasach pozamiejskich dotyczy tylko terenów przyległych bezpośrednio do drogi.

Zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza uzyskuje się przez zmniejszenie emisji spalin z pojazdów i ograniczenie rozprzestrzeniania się spalin. Rozpatruje się w tym względzie następujące czynniki [95]:

 postęp techniczny w konstrukcji silników (m.in. zmniejszenie zużycia paliwa, sto- sowanie alternatywnych źródeł napędu),

 zwiększenie płynności jazdy (m.in. stosowanie „zielonej fali”, likwidacja „wą-

skich gardeł”, kanalizowanie lub odkolizyjnianie skrzyżowań) poprzez unikanie

konieczności gwałtownego hamowania i przyspieszania, która występuje zwykle

(8)

1. Wprowadzenie 8

na trasach o dużym obciążeniu ruchem, nieadekwatnym do klasy drogi; poprawa płynności jazdy zmniejsza emisję szkodliwych substancji nawet o kilkadziesiąt procent,

 ograniczenie ruchu pojazdów ciężkich (promocja transportu kombinowanego),

 projektowanie pasów zieleni izolacyjnej; zanieczyszczenia są skutecznie pochła- niane przez zwarte pasy zieleni izolacyjnej o szerokości od 10 do 20 m; zieleń izolacyjna pochłania ponad 60% pyłów wytwarzanych przez pojazdy (dotyczy to zarówno cząstek stałych, jak i pyłów powstających z okładzin hamulcowych).

Skala problemów wynikających z działalności transportu skłania do pilnego ograni- czania jego wpływu na środowisko przyrodnicze. Działania zaradcze związane z ogra- niczaniem i eliminowaniem zagrożeń wynikających z działalności transportu powinny polegać na jednoczesnym wdrażaniu wielu rozwiązań pozwalających maksymalizować szansę osiągnięcia założonego celu – ograniczenia ingerencji transportu w środowisko przyrodnicze (degradacja i zanieczyszczenie), jak i społeczne (zdrowie i bezpieczeń- stwo) – przy realizowaniu zapisów Europejskiej Polityki Transportowej [18, 19] i Poli- tyki Transportowej Państwa na lata 2006–2025 [72]. Wśród najważniejszych powinny znaleźć się takie działania, jak [8, 103]:

 Rozdzielanie ruchu tranzytowego oraz lokalnego. Przy bardzo dynamicznym wzroście wskaźnika motoryzacji zauważalne jest w coraz większym stopniu prze- nikanie się ruchu lokalnego z ruchem tranzytowym, co znacząco wpływa na przy- spieszenie wyczerpywania się przepustowości istniejącego układu drogowego oraz pogarszania się bezpieczeństwa ruchu drogowego. Na większości dróg prze- chodzących przez mniejsze miejscowości, ze względu na brak alternatywnych po- łączeń lokalnych widoczne jest pełnienie przez nie wszystkich możliwych funkcji jednocześnie: tranzytowej, rozprowadzającej i dojazdowej. Dodatkowo zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) w sprawie unijnych wy- tycznych dotyczących rozwoju transeuropejskiej sieci transportowej, ustalono ko- rytarze transportowe stanowiące część bazowej transeuropejskiej sieci transpor- towej TEN-T. W związku z powyższym niezbędna jest rozbudowa istniejącego układu drogowego do parametrów technicznych pozwalających sprawnie obsłu- żyć ruch tranzytowy o zasięgu regionalnym, krajowym i europejskim.

 Budowa obwodnic. Budowa obwodnic powinna skoncentrować się głównie na miejscowościach leżących w ciągach dróg krajowych (w szczególności będących częścią transeuropejskiej sieci transportowej TEN-T) oraz wojewódzkich charak- teryzujących się największym natężeniem ruchu [15]. Działania te przyczynią się do poprawy dostępności komunikacyjnej oraz poprawy połączeń komunikacyj- nych głównych miast kraju. Inwestycje te zapewnią możliwość rozwoju gospo- darczego i społecznego obszaru przez skrócenie czasu podróży, zmniejszenie na- tężenia ruchu oraz usprawnienie przejazdu w miejscowościach, jak również zwiększą bezpieczeństwo ruchu przy jednoczesnym uwzględnieniu wymogów ochrony środowiska.

 Działania ograniczające ruch w miastach. Zapobieganie zagęszczania się ruchu

drogowego w miastach powinno odbywać się przede wszystkim przez wzmacnia-

nie roli transportu publicznego, tj. działania dążące do osiągania akceptowalnych

społecznie czasów dojazdu do miast, miejsc pracy i innych ośrodków społecznej

aktywności. Jednocześnie poprawie powinna ulec jakość świadczonych usług oraz

wykorzystanie istniejącej infrastruktury kolejowej. Ważną rolę przy ograniczaniu

ruchu w miastach powinna również stanowić długofalowa polityka miast mająca

na celu tworzenie i rozwijanie przyjaznych rozwiązań dla pieszych oraz rowerzy-

stów.

(9)

1. Wprowadzenie 9

 Uspokajanie ruchu w obrębie ścisłego centrum oraz osiedli mieszkalnych w mia- stach. Nadmierna prędkość pojazdów, szczególnie w obszarach zabudowanych, jest jednym z głównych zagrożeń bezpieczeństwa ruchu drogowego. Aby ograni- czenie prędkości było skuteczne, musi być sankcjonowane przez środowisko dro- gi. Geometria drogi, organizacja ruchu i otoczenie drogi muszą być odzwiercie- dleniem ograniczenia prędkości i muszą być zaprojektowane w sposób zapewnia- jący warunki ruchowe odpowiednie dla tej prędkości i zapobiegające poruszaniu się z większymi prędkościami.

 Zwiększenie prędkości przejazdowej połączeń autobusowych. Zwiększenie pręd- kości handlowej jest niezbędne, aby transport autobusowy uczynić konkurencyj- nym względem transportu indywidualnego. Wpływ na to mogą mieć działania dą- żące do preferowania takiego rodzaju transportu nadając jej możliwość prioryte- towego przejazdu. Działania, które należy podjąć w pierwszej kolejności to prze- de wszystkim wydzielenie (wytyczenie) pasów autobusowych (buspasów) oraz traktowane priorytetowo autobusów na skrzyżowaniach z sygnalizacją świetlną [16]. Innym czynnikiem wpływającym na zwiększenie prędkości przejazdowej połączeń autobusowych jest poprawa wprowadzenia kursów przyspieszonych oraz zwiększenie liczby przystanków „na żądanie”; działania takie powinny być po- przedzone szczegółowymi badaniami popytu.

 Zwiększanie dostępności miejsc parkingowych. Generowanie większego ruchu samochodów przyczynia się do większej ilości spalin oraz nadmiernego hałasu, co przekłada się na pogorszenie jakości życia mieszkańców [32]. Główną przyczyną utrudniającą dostęp do miejsc parkingowych jest wykorzystywanie ich przez po- jazdy pozostawiane na wiele godzin. W związku z tym niezbędnym wydaje się wprowadzanie pewnych ograniczeń czasowych w zakresie ich bezpłatnego wyko- rzystywania. Rozwiązaniem może być wyznaczanie płatnych stref parkowania lub bezpłatnego ich wykorzystania jednak przy założeniu ograniczeń czasowych np.

bezpłatne pierwsze 15–30 min. Jednocześnie należy dążyć do uporządkowania istniejących miejsc parkingowych przez ich czytelne wyznaczenie, co wpłynie na poprawę wykorzystania często bardzo ograniczonej powierzchni w centrach miast.

Mimo tego, że w Polsce w latach 2007–2015 odnotowano ponad 200-procentowe zwiększenie sieci autostrad i dróg ekspresowych, to krajowa infrastruktura drogowa nadal wymaga nakładów na rozwój i modernizację. Nowe przedsięwzięcia istotnie zwiększają drożność dróg krajowych oraz spełniają oczekiwania obywateli związane z komfortową, szybką i bezpieczną komunikacją. Głównym celem Programu budowy dróg krajowych na lata 2014–2023 (z perspektywą do 2025 r.) [98] uchwalonego w 2015 roku jest budowa spójnego i nowoczesnego systemu dróg krajowych, zapewniają- cego efektywne funkcjonowanie drogowego transportu osobowego i towarowego. Pro- gram dokonuje diagnozy stanu obecnego sektora drogowego, definiuje zarówno cele planowane do osiągnięcia, jak i kluczowe obszary stanowiące tzw. „wąskie gardła” w transporcie osobowym i towarowym. Dokument zakłada dokończenie budowy ciągów dróg ekspresowych i autostrad oraz budowę kilkudziesięciu obwodnic w ciągach dróg krajowych. Realizacja wszystkich zadań inwestycyjnych pozwoli na stworzenie sieci autostrad oraz dróg ekspresowych w ramach ciągów komunikacyjnych: A1, A2, A4, A18, S1, S2, S3, S5, S6, S7, S8, S10, S11, S12, S17, S19, S22, S51, S61, S69 oraz S74.

Ponadto w Programie znajduje się lista zadań inwestycyjnych z zakresu poprawy bez-

pieczeństwa ruchu drogowego tzw. Program Likwidacji Miejsc Niebezpiecznych. Aby

ten cel zrealizować przewidziano:

(10)

1. Wprowadzenie 10

 budowę brakujących odcinków dróg ekspresowych i autostrad oraz obwodnic: ma powstać 3900 km nowych odcinków autostrad i dróg ekspresowych oraz 57 no- wych obwodnic miejscowości najbardziej obciążonych ruchem,

 skrócenie średniego czasu przejazdu między ośrodkami wojewódzkimi o co naj- mniej 15%,

 ograniczenie liczby zabitych w wypadkach komunikacyjnych o co najmniej 40%

i ciężko rannych o co najmniej 41%,

 połączenie miast wojewódzkich z Warszawą autostradami lub drogami ekspreso- wymi.

Realizacja projektów zaplanowanych w wymienionym dokumencie pozwala w wielu miejscach przesunąć ruch tranzytowy z centrów miast na nowo budowane obwodnice oraz poprawić płynność komunikacji samochodowej. Najważniejsze działania podej- mowane przy tej okazji to budowa nowych obwodnic oraz modernizacja już istnieją- cych. Inwestycje w budowę obwodnic pozwalają w dużych miastach skierować około 90% całego ruchu tranzytowego samochodów osobowych i ciężarowych poza miasto.

Ruch w miastach nieposiadających obwodnic stanowi bardzo poważne obciążenie dla infrastruktury drogowej, będąc jednocześnie źródłem znacznego hałasu i zanieczysz- czenia powietrza. Jednakże budowa obwodnicy nie ogranicza się jedynie do budowy np.

nowej drogi jednopasmowej lub dwupasmowej, ale obejmuje też m.in. budowę wiaduk- tów nad obwodnicą i w ciągu obwodnicy oraz skrzyżowań i dróg dojazdowych, a także rozwiązań podnoszących bezpieczeństwo ruchu oraz zapewniających lepszą ochronę środowiska. W Polsce w latach 2014–2018 zaplanowano budowę 12 nowych obwodnic, zlokalizowanych w najbardziej newralgicznych punktach tranzytowanych (rys. 1.3).

Rys. 1.3. Lokalizacja budowy nowych obwodnic w Polsce w latach 2014–2018 [49]

Zagadnienia poruszane w pracy, a dotyczące wpływu infrastruktury drogowej na

emisję spalin z pojazdów samochodowych wpisują się w aktualność problematyki doty-

czącej poszukiwania metod zmniejszających obciążenie środowiska przez transport

drogowy i poszukiwania sposobów ukierunkowanych na rozwiązania proekologiczne

(zagadnienie to rozpatrywano m.in. w publikacji [33]). Opracowanie metody oceny eko-

logicznej nowotworzonej infrastruktury drogowej (w tym budowy obwodnic) i jej

(11)

1. Wprowadzenie 11

wpływu na poziom obciążenia środowiska pozwoli na rozszerzenie wiedzy na ten temat, nie tylko pod względem zużycia paliwa, ale jednocześnie z uwzględnieniem emisji za- nieczyszczeń gazowych emitowanych z pojazdów samochodowych.

Jedną z podstawowych przesłanek budowy obwodnic jest usunięcie ruchu tranzyto- wego przez śródmieścia miast na tereny podmiejskie po to, aby usprawnić przepływ potoków ruchu, skrócić czasy jazdy, zmniejszyć liczbę wypadków i uciążliwości śro- dowiskowe. Z drugiej strony projekty obwodnic powodują liczne protesty społeczne nie tylko właścicieli terenów i posesji, przez które mają one przechodzić, ale także tych, którzy utracą miejsca pracy i poniosą straty ekonomiczne z powodu wyprowadzenia ruchu tranzytowego ze śródmieścia (ocena społecznych efektów budowy obwodnic przedstawiona została przez Tracza i Michalika w publikacji [97]). Istnieje pilna potrze- ba racjonalizacji procesu decyzyjnego oraz projektowania obwodnic i przekształceń lokalnych sieci dróg. Uwzględniając duże koszty budowy obwodnic i ich planowaną liczbę, konieczne jest stworzenie narzędzi planowania, projektowania i analiz, zmienia- jących dotychczasową złą i nieracjonalną praktykę, która powinna także obejmować przekształcanie dotychczasowych przejść drogowych przez miejscowości.

Opracowanie narzędzia wspomagającego podejmowanie decyzji inwestycyjnych oraz oceny jest głównym założeniem pracy, gdyż jego zastosowanie zmieni nie tylko trafność wyboru miejsc do realizacji obwodnic, ale także ich rozwiązań i zwiększy efek- tywność ekonomiczną budowanych nowych obwodnic oraz ochronę środowiskową oto- czenia. Narzędzie wspomagania decyzji odnosić się będzie do zasad planowania i pro- jektowania obwodnic oraz zasad przekształceń odcinków przejść drogowych przez miejscowości, ponieważ tylko ich łączne traktowanie gwarantuje uzyskanie korzystnych efektów w zakresie zużycia energii i zmniejszania uciążliwości środowiskowych.

W pracy podjęto próbę wyznaczenia korzyści ekologicznych odnoszących się do

zmian w infrastrukturze drogowej, przy czym zmiany te dotyczyły tylko jednego kon-

kretnego przypadku – budowy nowych obwodnic miejscowości. Na przykładzie wybra-

nego miasta – obwodnicy Żyrardowa – dokonano ekologicznej oceny wykonania takie-

go przedsięwzięcia. Do zrealizowania tego celu należało wykonać działania mające na

celu określenie struktury rynku samochodowego w Polsce (opisane w kolejnych roz-

działach), tak aby przedstawiony algorytm postępowania można było zastosować do

innych podobnych realizacji zawartych w planie budowy dróg i autostrad. Dla tak przy-

gotowanych danych zweryfikowano możliwości oceny ekologicznej inwestycji przez

wyznaczenie danych użytych do wykonania całościowego zadania. Weryfikacja polega-

ła na ocenie wielkości emisji zanieczyszczeń z pojazdów, albo z dopuszczalnych warto-

ści emisji drogowej określonych w odpowiednich normach toksyczności spalin, albo z

wykorzystaniem danych uzyskanych z pomiarów tych wielkości w rzeczywistych wa-

runkach ruchu pojazdów. Wynik takiego postępowania uzyskany z badań wstępnych

(na podstawie aglomeracji poznańskiej i wcześniejszych badań prowadzonych w tym

kierunku) wskazał, że dokładniejsze wyniki uzyskuje się przy wyborze danych uzyska-

nych bezpośrednio z pomiarów emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ru-

chu drogowego. Na tej podstawie przygotowano metodykę badań do ekologicznej oce-

ny nowej infrastruktury drogowej i przeprowadzono badania, które są tematem niniej-

szej dysertacji.

(12)

2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego

2.1. Struktura rynku samochodowego w Polsce na tle Europy

Obserwowany w ostatnich latach w Polsce wzrost liczby pojazdów samochodowych w dużej mierze wynika ze wzrostu liczby pojazdów osobowych, które od kilku lat sta- nowią trzy czwarte wszystkich pojazdów (w 2015 roku było ich około 20 mln, przy średniej w Europie 9,5 mln pojazdów przypadające na jedno państwo) [74]. W Polsce w 2015 roku zarejestrowano 355 tys. nowych i ponad 790 tys. używanych samochodów osobowych oraz 92 tys. samochodów ciężarowych (w tym dostawczych) oraz ciągni- ków drogowych (rys. 2.1).

Zarówno w Polsce, jak i w Europie przeważają samochody osobowe (napędzane w większości silnikami o zapłonie iskrowym), które stanowią około 80% wszystkich po- jazdów. Kolejną grupę stanowią pojazdy ciężkie, stanowiące około 12% populację po- jazdów (rys. 2.2).

Rys. 2.1. Struktura parku pojazdów w Polsce [94]

Rys. 2.2. Struktura pojazdów w Polsce i w Europie w roku 2015 [13]

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0 5 10 15 20 25

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Udział w rynku samochodów osobowych [-]

Liczba pojazdów w Polsce [mln sztuk]

Lata LDV+HDV

PC Udział PC

Średnia liczba pojazdów w krajach europejskich (9,5 mln sztuk) Udział samochodów osobowych w Europie (0,77)

80,5%

12,0%

1,4%

0,4%

4,9% 0,7%

Pojazdy lekkie Pojazdy ciężkie Ciągniki rolnicze Autobusy Motocykle Inne Polska

(2015)

Benzynowe − 45%

Diesel − 38%

LPG, CNG − 17%

77,1%

11,7%

0,8%

0,5%

4,6% 5,4%

Poja zdy lekki ePoja zdy cięż kie Europa

(2015)

Benzynowe − 54%

Diesel − 41%

LPG, CNG − 5%

(13)

2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 13

W parku samochodów osobowych 45% stanowią modele z silnikami benzynowymi, 38% to silniki zasilane olejem napędowym, a zasilanie paliwem gazowym stanowią 17%. Wśród pojazdów najmłodszych, liczących do czterech lat, zasilane benzyną sta- nowią 56% udziału, a olejem napędowym – 39%, natomiast zasilanie gazem ziemnym to 4% floty. Pojazdy hybrydowe stanowią 1% tego segmentu. W grupie pojazdów mają- cych od pięciu do dziesięciu lat najliczniejsze są zasilane olejem napędowym (54%

udziału). W grupie wiekowej 11–20 lat na samochody z napędem benzynowym przypa- dło 46% udziału, a na pojazdy zasilane olejem napędowym – 34% (zasilanie paliwem gazowym to 19%). Wśród samochodów mających ponad 20 lat najpopularniejsze były modele z silnikiem benzynowym (46% udziału), zasilane paliwem gazowym (27%) oraz zasilane olejem napędowym (21%).

Do powiększenia parku samochodowego przyczynił się przede wszystkim import prywatny z zagranicy. W 2014 roku na 1000 mieszkańców Polski przypadało 599 sa- mochodów osobowych. To więcej niż średnia dla całej Unii Europejskiej oraz państw EFTA (Norwegia, Szwajcaria, Islandia), która wynosi 564 auta na 1000 mieszkańców.

Masowo sprowadzane używane samochody niekorzystnie wpływają na strukturę wie- kową pojazdów. Od wejścia Polski do Unii Europejskiej, w przywozie przeważają sa- mochody mające ponad 4 lata (94 proc. w roku 2015), dlatego park samochodowy w Polsce starzeje się (rys. 2.3).

Rys. 2.3. Analiza rynku samochodów sprowadzonych do Polski w 2015 roku [1]

Samochody osobowe 4-letnie lub młodsze (spełniające normę emisji spalin Euro 6 lub Euro 5) stanowiły w Polsce na koniec 2015 roku 9% parku pojazdów osobowych (rys. 2.4). Samochody spełniające normę Euro 4 (mające od pięciu do dziesięciu lat) stanowiły 12% parku, a pojazdy liczące ponad 10 lat 79% wszystkich pojazdów (w tym na najstarsze, mające ponad 20 lat przypadło 31%). Starzejący się od wielu lat park sa- mochodowy zasilany jest głównie przez import, w którym przeważają auta mające po- nad 10 lat. Konsekwencje utrzymywania starego parku samochodów (ponad połowa pojazdów spełnia jedynie normy emisji spalin Euro 2 i Euro 3) ponoszą nie tylko wła- ściciele samochodów, ale i społeczeństwo. Wyeksploatowane pojazdy są mniej bez- pieczne i nieekologiczne – emitują znacznie więcej zanieczyszczeń niż pojazdy nowe.

W Europie udział pojazdów do 6 lat stanowi około 33% (Euro 6 i Euro 5), jednocze- śnie niewiele mniejszy jest udział pojazdów z przedziału wieku 5–10 lat (Euro 4). Po- jazdów starszych niż 10 lat, spełniających limity emisji Euro 3–Euro 0, jest około 34%

(rys. 2.4).

6%

38%

56% 0 - 4 lat

4 - 10 lat ponad 10 lat Polska

średni wiek sprowadzonego

pojazdu 12-13 lat

(w 2015)

(14)

Rys. 2.4. Kategorie emisyjne samochodów osobowych w Polsce i w Europie [4, 27]

W 2015 roku pojazdy z silnikami zasilanymi olejem napędowym zmniejszyły swój udział w rynku krajowym; liczba rejestracji pojazdów z takimi silnikami zmniejszyła się o 1,2%, a biorąc pod uwagę ponad 8-procentowy wzrost całego rynku, udział tego na- pędu w rejestracjach zmalał o 3 punkty procentowe w stosunku do roku poprzedniego (rys. 2.5). Zwiększył się natomiast udział w pierwszej rejestracji pojazdów z silnikiem benzynowym – do 63,3%. Liczba rejestracji w stosunku do 2014 roku wzrosła o 13,3%

do 224,6 tys. sztuk pojazdów. Zwiększyła się też liczba pojazdów nowo rejestrowanych z fabrycznymi instalacjami LPG. Liczba rejestracji wzrosła do 5,5 tys. sztuk, co oznacza 15,8-procentowy wzrost w stosunku do roku poprzedniego. Brak natomiast zaintereso- wania pojazdami zasilanymi gazem ziemnym – w roku 2015 zarejestrowano 6 takich samochodów, a rok wcześniej 14. Odnotowano większe zainteresowanie pojazdami hybrydowymi – liczba rejestracji tych samochodów przekroczyła 5,4 tys. sztuk i była o 40,4% większa niż w 2014 roku. Udział pojazdów hybrydowych w całości rejestracji samochodów osobowych wynosił 1,5% (rys. 2.6).

Rys. 2.5. Samochody osobowe z podziałem na rodzaj paliwa w Polsce na tle Europy [4]

1% 8%

12%

22% 26%

12%

19% Euro 6

Euro 5 Euro 4 Euro 3 Euro 2 Euro 1 Euro 0 Polska

średni wiek pojazdu

14,2 lat (w 2015)

3%

33%

30%

26%

5% 2% 1%

Euro 6 Euro 5 Euro 4 Euro 3 Euro 2 Euro 1 Euro 0 Europa

średni wiek pojazdu 9,7 lat (w 2015)

10,52 10,81 11,09

3,87 4,83

5,68

0 2 4 6 8 10 12

2010 2012 2014 2010 2012 2014

Benzyna Olej napędowy

Pojazdy według typu zasilania paliwem [mln szt.] Średnia liczba pojazdów

zasilanych benzyną w krajach

europejskich (5,2 mln szt.) Średnia liczba pojazdów zasilanych olejem napędowym w krajach europejskich (3,9 mln szt.)

(15)

Rys. 2.6. Rejestracje nowych aut osobowych według rodzaju napędu w Polsce na tle Europy [13, 27, 81]

Polska należy do grupy państw, w którym średnia prędkość jazdy w dużych miastach kształtuje się na poziomie 30–40 km/h. Najmniejszą wartość średniej prędkości pojaz- dów w roku 2014 odnotowano we Wrocławiu (wynosiła ona 28 km/h), natomiast naj- większą wartość odnotowano dla Gdańska (37 km/h). Poznań klasuje się na trzecim miejscu pod względem średniej prędkości jazdy w mieście (29 km/h). Są to wartości zbliżone do prędkości jazdy pojazdów w centrum miast państw europejskich, dla któ- rych np. w Londynie średnia prędkość jazdy w centrum wynosi 19 km/h (a w ścisłym centrum – 7 km/h), natomiast w Berlinie – 24 km/h (rys. 2.7).

Rys. 2.7. Średnia prędkość jazdy w największych miastach europejskich

Przedstawione powyżej rozważania potwierdzają konieczność rozpatrywania kwestii emisji zanieczyszczeń z transportu rozdzielnie w stosunku do krajów całej Unii Euro- pejskiej, co wynika głównie ze zupełnie innej struktury parku samochodowego i warun- ków ruchu występujących na terenie tych państwa (w tym Polski).

194728 129162 4750 14 3845 140

224600 125400 5500 6 5400 259

1 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000

Benzynowe Diesel LPG CNG Hybrydowe Elektryczne Nowe rejestracje pojazdów [szt.]

2014 2015

średnia wartość w krajach Europy

x 1,1 x 2

x 1,7

x 15

x 2

x 15

19 Londyn

29 Poznań

31

Warszawa 24

Berlin

30 Rzym 31

Paryż

35 Barcelona

(16)

2.2. Zanieczyszczenie środowiska przez transport samochodowy

Kraje Unii Europejskiej szczególną troskę poświęcają od wielu lat ochronie środowi- ska naturalnego, zagrożonego rozwojem cywilizacyjnym naszego globu. Mała szkodli- wość oddziaływania na środowisko coraz częściej decyduje o rynkowym sukcesie da- nego obiektu technicznego, czy też produktu. Transport jako system oraz środki trans- portu należą do tej branży gospodarki, która generuje do otoczenia wiele zanieczysz- czeń, degradując w ten sposób środowisko naturalne. Wynika to przede wszystkim z faktu powszechnego stosowania silników spalinowych jako źródeł napędu pojazdów.

Uzasadnieniem podjęcia szczegółowej analizy dotyczącej wpływu transportu samo- chodowego na zanieczyszczenie środowiska jest fakt, że najnowsze prognozy, pomimo pojawiania się doniesień o nowych generacjach pojazdów wykorzystujących alterna- tywne układy napędowe, nie zakładają w najbliższym czasie wycofania silników spali- nowych z pojazdów. Przykładowo, na rysunku 2.8 przedstawiono prognozowany udział pojazdów wykorzystujących silniki spalinowe i inne źródła energii do napędu samocho- dów osobowych zarejestrowanych w Polsce na przestrzeni lat 2010–2030. Wynika z niego, że w roku 2030 w Polsce w ponad 90% pojazdów do ich napędu będą wykorzy- stywane silniki spalinowe i można przypuszczać, że w innych krajach silniki spalinowe także pozostaną dominującym źródłem napędu w samochodach osobowych oraz cięża- rowych. Prognoza przygotowana przez firmę McKinsey [5] zakłada, że w Europie w 2030 roku ok. 87% pojazdów będzie napędzana silnikami spalinowymi.

Rys. 2.8. Liczba pojazdów w Polsce w roku 2010 oraz prognozowana liczba pojazdów oso- bowych z podziałem na rodzaj użytego napędu w latach 2015-2030 [5]

Wprowadzane w życie regulacje techniczne i operacyjne mogą mieć zarówno pozy- tywne, jak i negatywne konsekwencje. Dobrze ustalone przepisy powinny mieć pozy- tywny wpływ na ochronę środowiska naturalnego, ale charakter oddziaływania regulacji zależy także od tego, z czyjego punktu widzenia będzie się ten wpływ oceniać. Pozy- tywne efekty regulacji prawnych widoczne są zwłaszcza na przykładzie zmiany limitów emisji zanieczyszczeń (rys. 2.9). Transport samochodowy, który z wszystkich gałęzi transportu podlega najostrzejszym regulacjom przepisów, odnotował znacznie korzyst- niejsze zmniejszenie emisji zanieczyszczeń niż pozostałe gałęzie transportu, a tym sa- mym również większe średnie ograniczenie emisji dla wszystkich gałęzi. Wprowadze- nie norm emisji Euro 5 i Euro 6 oraz powszechny nacisk na zmniejszenie emisji gazów

10,5 11,1 11,7 12,2 12,6

3,9 5,0 5,9 6,2 5,9

2,5

3,1

3,3 3,6 3,6

0 5 10 15 20 25

2010 2015 2020 2025 2030

Liczba samochodów osobowych w Polsce [mln szt]

Elektryczne CNG LPG ZS ZI

(17)

cieplarnianych w Unii Europejskiej kieruje prace badawczo-rozwojowe na rozwój kon- strukcji nowych, niskoemisyjnych pojazdów, używanie paliw alternatywnych, rozwój konstrukcji nowych typów silników i zwiększanie sprawności jednostek napędowych obecnie produkowanych.

a)

b)

c)

Rys. 2.9. Zmniejszenie emisji zanieczyszczeń w Unii Europejskiej w latach 1992-2015 (okres zgodny z wprowadzeniem norm europejskich Euro 1–Euro 6 dla samochodów osobowych

z silnikami ZI (a) i ZS (b) oraz Euro I–Euro VI dla pojazdów ciężarowych (c) [50]

Maksymalnie dopuszczalne wartości emisji związków szkodliwych spalin wprowa- dzone w normie Euro 5 (limity zaostrzone o 20–80%) są znacznie zmniejszone w sto- sunku do wymagań przepisów Euro 4. Niektóre z dopuszczalnych wartości emisji dro- gowej cząstek stałych zostały dalej obniżone po wprowadzeniu normy Euro 6. Przepisy Euro 6 są spełnione tylko przez samochody osobowe, których łączna emisja drogowa

HC

[g/km]

NO

_x

[g/km]

Euro 1 → Euro 6

1992 2015

Średnio 77%

(NO_x~ 8-krotne)

Euro 1 (1992)

Euro 2 (1996)

Euro 3 (2000)

Euro 6 (2015) Euro 5 (2012)

Euro 4 (2005)

CO –63%

HC –80%

NO_x –88%

PM

[g/km]

HC+NO

_x

[g/km]

Euro 1 → Euro 6

1992 2015

Średnio 87%

(PM ~ 28-krotne)

Euro 1 (1992)

Euro 2 (1996)

Euro 3 (2000)

Euro 6 (2015) Euro 5 (2012)

Euro 4 (2005)

CO –82%

HC+NO_x –82%

PM –96%

PM

[g/kWh]

NO

_x

[g/kWh]

Euro I → Euro VI

1990 2013

Średnio 88%

(PM i NO_x~ 50-krotne)

Euro I (1990) Euro II (1996)

Euro III (2000)

Euro VI (2014) Euro V (2008)

Euro IV (2005)

CO –66%

HC –88%

PM –98%

NO_x –98%

(18)

węglowodorów, tlenku węgla, tlenków azotu oraz cząstek stałych określona jest poniżej 1 g/km, co stanowi wyzwanie zarówno dla konstrukcji silników wraz z układami katali- tycznego oczyszczania spalin, jak i analitycznej aparatury pomiarowej. Niższe limity emisji, wyznaczone w obecnych i przyszłych normach, wymagają urządzeń o zwięk- szonej dokładności pomiaru, minimalizującej wpływ niepewności pomiaru na wynik.

Według oceny Europejskiej Agencji Ochrony Środowiska (EEA) [83], przeciętna emisja dwutlenku węgla z silników nowych samochodów osobowych zarejestrowanych w Europie w 2015 roku wyniosła 119,6 g/km, o 3% mniej niż w 2014 roku (123,4 g/km). Raport EEA podkreśla, że wynik jest znacznie poniżej celu wyznaczonego przez Komisję Europejską na 2015 rok, wynoszącego 130 g/km CO

2

(od roku 2020 limit ten wynosił będzie 95 g/km CO

2

– rys. 2.10). Coraz bardziej przyjazne dla środowiska są także pojazdy użytkowe. Przeciętna emisja dwutlenku węgla z silników nowych pojaz- dów dostawczych zarejestrowanych w Europie w 2014 roku wyniosła 169,2 g/km, o 4 g/km mniej niż w 2013 roku. Raport EEA podkreśla, że wynik jest blisko 6 g/km poniżej celu wyznaczonego przez Komisję Europejską na 2017 rok, wynoszącego 175 g/km CO

2

.

Rys. 2.10. Zmniejszenie limitów emisji CO2 na świecie do roku 2020 [45]

Powietrze w Polsce jest bardzo zanieczyszczone. Dane przytaczane przez Ministerstwo Energii wskazują, że np. w Krakowie średnioroczne stężenie benzo(a)pirenu wynosi 10,2 ng/m

³

, gdy w Berlinie sięga 0,7 ng/m

³

, w Wiedniu 0,6 ng/m

³

, w Rzymie 0,4 ng/m

³

, w Paryżu 0,3 ng/m

³

, w Londynie 0,08 ng/m

³

. Tymczasem Światowa Organizacja Zdrowia podaje, że stężenie powyżej 1 ng/m

³

jest niebezpieczne dla zdrowia. Resort dodaje, że nawet 60% zanieczyszczeń powietrza w miastach pochodzi z transportu [13].

W Polsce obowiązującym dokumentem prawnym określającym wartości graniczne stężeń substancji obecnych w powietrzu jest Rozporządzenie Ministra Środowiska z 24.08.2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu [86]. W rozpo- rządzeniu określono poziomy stężeń granicznych dla terenu całej Polski (tab. 2.1) z wy- różnieniem obszarów podlegających szczególnej ochronie, takich jak: parki narodowe, leśne kompleksy i promocyjne pomniki historii wpisane na listę światowego dziedzictwa.

Rozporządzenie określa, m.in. poziomy dopuszczalne dla niektórych substancji w powie-

trzu, okresy, dla których uśrednia się wyniki pomiarów oraz dopuszczalną częstość prze-

kraczania poziomów.

(19)

2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 19 Tablica 2.1. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza obowiązują- ce na terenie Polski [86]

Zanieczyszczenie Okres uśredniania

Poziom dopuszczalny

Jednostka pomiarowa

Częstość przekraczania

Benzo(a)piren^* 12 miesięcy 1 ng/m3 –

NO2

1 godzina 200 µg/m³ 18 razy/rok

12 miesięcy 40* µg/m³ –

NOx 12 miesięcy 30* µg/m³ –

CO 8 godzin 10 000* µg/m³ –

SO2

1 godzina 350* µg/m³ 24 razy/rok

24 godziny 125* µg/m³ 3 razy/rok

PM2,5 12 miesięcy 25* (20 od 2020 r.) µg/m³ –

PM10 24 godziny 50* µg/m³ 35 razy/rok

O3 8 godzin 120* µg/m³ 25 razy/rok

* Poziom dopuszczalny ze względu na ochronę ludzi.

Podstawą europejskiej polityki ochrony środowiska są programy działania. Oficjalnie nie są one wiążące dla państw członkowskich – stanowią jedynie zalecenia kierunków rozwoju polityki ochrony środowiska. Są podstawą do dyskusji nad odpowiednimi aktami regulującymi ochronę środowiska w krajach Unii Europejskiej.

Podstawowym aktem prawa europejskiego, określającym wymagania w zakresie ochrony powietrza w państwach członkowskich Unii Europejskiej jest dyrektywa Par- lamentu Europejskiego i Rady 2008/50/WE [24] w sprawie jakości powietrza i czyst- szego powietrza dla Europy (CAFE – Cleaner Air for Europe). W dyrektywie wprowa- dzono kontrolę, oprócz związków gazowych, dodatkowo cząstek stałych. Uzupełnie- niem jest prawnie niewiążący cel dotyczący ograniczenia stężenia cząstek stałych PM2,5 w latach od 2010 do 2020 w każdym państwie członkowskim, na podstawie da- nych pomiarowych (tabl. 2.2).

Tablica 2.2. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza ustalone w dyrektywie 2008/50/WE [24]

Zanieczyszczenie Stężenie dopuszczalne [g/m³]

1-godzinne 8-godzinne 24-godzinne średnioroczne

CO – 7000/5000^* – –

SO2 – – 75/50^** 20

NO2 140/100^*** – – 32/26

PM10 – – 35/25^**** 28/20

PM2,5 – – – 17/12

Ołów – – – 0,35/0,25

Benzen – – – 3,5/2,0

* Górny/dolny przedział oszacowania.

** Nie może zostać przekroczona więcej niż 3 razy w roku kalendarzowym.

*** Nie może zostać przekroczona więcej niż 18 razy w roku kalendarzowym.

**** Nie może zostać przekroczona więcej niż 35 razy w roku kalendarzowym.

(20)

Pod koniec roku 2013 Komisja zaproponowała nowy pakiet polityki dotyczący czy- stego powietrza z dwoma kluczowymi celami, tj. zachowaniem zgodności z obowiązu- jącym prawodawstwem do 2020 r. i ograniczeniem długoterminowego wpływu zanie- czyszczenia powietrza [46]. Pakiet ten zawiera nowy program „Czyste powietrze dla Europy”, w którym opisano ten problem i środki polityczne niezbędne do osiągnięcia nowych celów śródokresowych, aby ograniczyć negatywny wpływ zanieczyszczeń na zdrowie i środowisko do 2030 r. Proponuje się w nim przegląd dyrektywy w sprawie krajowych poziomów emisji i uaktualnienie krajowych pułapów na lata 2020 i 2030 dla czterech obecnie uwzględnionych zanieczyszczeń, a także dwóch dodatkowych, tj.

drobnych cząstek stałych i metanu. W pakiecie uwzględniono również wniosek doty- czący nowej dyrektywy w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania (jako uzupełnienie już obo- wiązujących przepisów dotyczących dużych obiektów energetycznego spalania) oraz wniosek o ratyfikację zmienionego protokołu z Göteborga do konwencji Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ (EKG ONZ) w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości, którego celem jest przeciwdziałanie zakwaszeniu, eu- trofizacji i powstawaniu ozonu w warstwie przyziemnej.

Dynamiczny rozwój transportu ostatnich dekad jest istotnym czynnikiem rozwoju gospodarczego świata i jednocześnie znaczącym źródłem uciążliwości i problemów istotnych szczególnie w skali lokalnej, zwłaszcza w dużych aglomeracjach miejskich.

Niekorzystne skutki transportu odczuwa zarówno środowisko przyrodnicze, jak i społe- czeństwo, któremu powszechny rozwój tego sektora umożliwił swego czasu przekro- czenie istotnej bariery rozwoju cywilizacyjnego, przy czym efekty te różnią się w za- leżności od poziomu rozwoju gospodarczego, stopnia zaawansowania i wykorzystania różnych sektorów transportu, położenia geograficznego (w tym klimatu), a także wraż- liwości elementów środowiska.

Niezwykle istotnym zagadnieniem w obliczu współczesnych zagrożeń ze strony transportu jest zapobieganie ich występowaniu, a gdy nie jest to możliwe – ograniczanie ich presji na środowisko oraz skali i zasięgu negatywnych skutków. Odpowiednie dzia- łania powinny być prowadzone na szczeblach administracji rządowej, samorządowej, jak również w sektorze prywatnym. Niezbędne jest wprowadzanie właściwych regulacji prawnych i administracyjnych, zapewnianie odpowiednich środków finansowych i po- tencjału ludzkiego dla rozwoju nowych technologii, planowanie przestrzenne, racjonal- ne projektowanie i utrzymywanie infrastruktury, a także edukowanie społeczeństwa i racjonalizacja zadań transportu. Wyznaczanie przez Unię Europejską rygorystycznych celów w tym zakresie skłania przemysł motoryzacyjny do produkcji pojazdów ekono- micznych oraz przyjaznych środowisku. Jednak ponad 250 milionów samochodów na europejskich drogach (dane z roku 2015) stanowi znaczące źródło zanieczyszczenia powietrza, będące przyczyną śmierci około 380 tysięcy osób rocznie. Szacuje się, że samochody są odpowiedzialne za 12% emisji gazów cieplarnianych w Europie. Mimo że całkowita emisja gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej stopniowo się zmniej- sza, transport drogowy jest źródłem ponad 90% tej emisji. Tym problemem Unia Euro- pejska zajmuje się na różne sposoby, m.in. jednym z priorytetów jest modernizacja sys- temów transportu publicznego i zachęcanie do rzadszego korzystania z samochodów prywatnych na rzecz komunikacji zbiorowej.

Zagadnienie ochrony środowiska w transporcie – poprzez stosowanie wzorców emi-

sji spalin ma również swoje odzwierciedlenie w programach do oceny wpływu różnych

środków transportu na środowisko naturalne. W programach tych wykorzystuje się war-

tości emisji zanieczyszczeń przyjęte wprost jako wartości dopuszczalne. Zagadnienie to

będzie treścią kolejnego podrozdziału niniejszej pracy.

(21)

2.3. Zastosowanie modeli emisji zanieczyszczeń w ocenie stanu środowiska

Podczas podejmowania decyzji o doborze metody służącej do określenia wpływu planowanych zmian w infrastrukturze drogowej rozważa się takie kwestie, jak dokład- ność wybranej metody, czas wykonywania analizy oraz jej koszt. Obecnie najbardziej popularna jest metoda wykorzystująca wskaźniki emisji zanieczyszczeń jako funkcję masy spalonego paliwa. Jest ona jedną z najbardziej popularnych metod wykorzystywa- nych podczas tworzenia raportów dotyczących oddziaływania środowiskowego inwe- stycji na środowisko (np. [37]). Spowodowane to jest najmniejszym kosztem uzyskania wyników, jednak metoda ta nie jest w obecnych warunkach wiarygodna. Podstawą do wykonywania analiz z wykorzystaniem tej metody jest pismo: MOŚZNiL nr Pzmot/063/8/93 z dnia 1.02.1993 r. [73], w którym przyjęto następujące wartości wskaźników emisji związków szkodliwych odniesione do kilograma spalonego paliwa, przedstawione w tablicy 2.3. Przyczyną niedokładności tej metody są przede wszystkim przestarzałe dane wejściowe, przyjmowane podczas modelowania.

Tablica 2.3. Wskaźniki emisji dotyczące siedmiu głównych rodzajów zanieczyszczeń emitowanych z silników spalinowych, w gramach substancji na jeden kilogram paliwa zużytego przez poszczególne grupy pojazdów [1]

Kategoria środków transportu WCO W_NO2 WW. alif.. WW. arom. Wpyłu W_SO2 WPb

Samochody osobowe o ZI

bez katalizatora 240 33 30 13 0 2 0,15

Samochody osobowe o ZI

z katalizatorem 16 4 1,5 0,6 0 2 0

Samochody osobowe o ZS 21 10 1,5 0,6 3,7 6 0

Samochody osobowe

i dostawcze dwusuwowe 300 65 140 60 0 2 0,15

Samochody dostawcze

< 3,5 Mg z ZI

320 42 30 13 0 2 0,15

Samochody dostawcze

< 3,5 Mg o ZS 40 21 4 1,8 3,7 6 0

Samochody ciężarowe i autobusy

> 3,5 Mg o ZI 360 40 35 15 0 2 0,15

Samochody ciężarowe i autobusy 3,5–16 Mg o ZS

37 66 8,5 3,5 4,3 6 0

Samochody ciężarowe i autobusy

> 16 Mg o ZS

23 76 13 6 4,3 6 0

Motocykle i motorowery

< 50 cm³ 556 2,8 230 100 0 2 0,15

Motocykle i motorowery

> 50 cm³ 730 2,7 350 150 0 2 0,15

Motocykle i motorowery 4-suwowe, > 50 cm³

526 8 55 24 0 2 0,15

Samoloty z silnikami tłokowymi 320 42 28 15 0 0,2 1,7 Samoloty odrzutowe

i turbośmigłowe 105 33 45 20 4 2 0

(22)

Aby wykonać analizę środowiskową według tej metody, należy postępować w nastę- pującej kolejności:

 przyjąć prognozowaną strukturę i natężenie ruchu na analizowanym odcinku dro- gi,

 założyć udział poszczególnych typów silników w pojazdach różnych kategorii.

Do zalet omawianej metody należy zaliczyć krótki czas i mały koszt uzyskania wy- ników. Jednak przy wyborze tej metody, należy liczyć się z dużą niedokładnością, gdyż przyjmowane parametry są przestarzałe (ustawa z roku 1993). Poza tym, obecnie nie uwzględnia się emisji SO

2

i Pb, ponieważ w przypadku pojazdów z silnikami ZI stosuje się benzyny bezołowiowe, a do zasilania silników ZS stosuje się oleje napędowe o ni- skiej zawartości siarki (mniej niż 10 ppm). Przestarzałe jest również nazewnictwo, gdyż obecnie nie używa się pojęcia emisja sadzy. Aktualnie stosowane pojęcie to emisja czą- stek stałych, które oprócz części węglowej (sadzy) zawierają szkodliwe substancje po- chodzące z niespalonego paliwa, oleju smarującego i inne.

Przy stale zmieniających się warunkach pracy pojazdów (inne natężenie emisji spa- lin) oraz strukturze pojazdów (unowocześnianie parku samochodowego) bazowanie na wskaźnikach z 1993 roku powoduje znaczne zawyżenie obliczanej masy związków szkodliwych. Aby dokonać wiarygodnej oceny rozpatrywanych w pracy zagadnień, proponuje się ocenę oddziaływania środowiskowego na podstawie badań emisji spalin pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu.

Metoda uważana za wiarygodną wykorzystuje pomiary przeprowadzone podczas przejazdów w rzeczywistym ruchu drogowym. Różnice w pomiarach emisji na danym odcinku drogi mogą wynikać jedynie z odmiennego stylu jazdy kierowcy, jednak aspekt ten nie jest problemem, przy odpowiedniej metodyce badań. Aby prawidłowo móc zin- terpretować wyniki, pomiary wykonuje się podczas przejazdów za pojazdem poprzedza- jącym (za liderem). Następnie wykonuje się po kilka przejazdów w obie strony, przez co styl jazdy kierowcy nie ma dużego znaczenia podczas analizy wyników. Niewątpli- wą wadą tej metody jest czas potrzebny do uzyskania wyników oraz koszt badań. Koszt jednak jest duży podczas tworzenia baz danych dotyczących emisji zanieczyszczeń z różnych kategorii pojazdów. Stworzenie takiej bazy umożliwia symulowanie przejaz- dów pojazdów na dowolnym odcinku drogi i wymaga jedynie znajomości udziałów czasowych prędkości i przyspieszenia uzyskiwanych dla przejazdu tego odcinka.

W dalszej części niniejszego rozdziału przedstawiono próbę oszacowania emisji za-

nieczyszczeń generowanych przez system transportowy aglomeracji poznańskiej. Pod-

stawą do modelowania emisji związków szkodliwych była bieżąca charakterystyka po-

szczególnych grup pojazdów (rok 2015) oraz ich prognozowana zmiana na lata 2020

i 2030. Wyznaczenie średniej wartości emisji drogowej jako funkcji dziennej odległości

pokonywanej przez różne kategorie pojazdów było podstawą do określenia zmian w

rocznej emisji zanieczyszczeń. Wartości natężenia emisji spalin pojazdów osobowych

przyjęto na podstawie przeprowadzonych badań w rzeczywistych warunkach ruchu,

natomiast dla pozostałych kategorii przyjęto wyniki badań uzyskane w wyniku wcze-

śniejszych prac zespołu Zakładu Silników Spalinowych Politechniki Poznańskiej. Przy-

jęto zwiększanie w poszczególnych latach udziału pojazdów spełniających najnowsze

normy toksyczności spalin (opisane w poprzednim podrozdziale), a także charakter

zmian długości trasy pokonywanej przez pojazdy. Wynikiem tych analiz była suma-

ryczna roczna emisja związków szkodliwych dla danej kategorii pojazdów na terenie

aglomeracji poznańskiej (rys. 2.11). Analizę przeprowadzono na podstawie danych

opublikowanych m.in. w publikacji [65].

(23)

Rys. 2.11. Zmiana struktury ekologicznej pojazdów w aglomeracji poznańskiej na przestrzeni lat 2015-2030 (nazwę Euro 7 dla roku 2030 przyjęto tylko na potrzeby pracy)

Założono zmianę udziału w całkowitej grupie pojazdów kategorii emisyjnych pojaz- dów: stopniowe zmniejszenie udziału pojazdów spełniających wczesne normy emisyjne oraz zwiększenie udziału pojazdów spełniających najnowsze normy emisji spalin (w tym pojazdy hybrydowe). Przyjęcie charakterystyk średniej odległości dziennej poko- nywanej przez poszczególne kategorie pojazdów (rys. 2.12) było podstawą do określe- nia zmian w dobowej emisji zanieczyszczeń. Oszacowano je na podstawie danych za- mieszczonych w Zintegrowanej Polityce Transportowej Miasta Poznania [77] oraz w [92], a także w opisie do programu Copert 4 [102].

Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń gazowych dla poszczególnych kategorii pojazdów można przyjąć według normy emisyjnej pojazdu (przy założeniu że pojazd emituje zanieczyszczenia odpowiadające wartości określonej w normie, którą musi

0 10 20 30 40 50

Euro 0 Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6

Udział pojazdów [%]

Kategoria emisyjna pojazdów

Osobowe Dostawcze Ciężarowe Autobusy Motocykle

Rodzaj pojazdów:

2015

0 10 20 30 40 50 60

Udział pojazdów [%]

2020

0 10 20 30 40 50 60

Udział pojazdów [%]

2030