Разработка подвижного состава с учетом демонтажа и утилизации по окончании срока службы

Предприятия, которые разрабатывают, изготавливают, обрабатывают, перерабатывают или эксплуатируют какие-либо изделия, несут ответственность в соответствии с действующим законодательством в случае нанесения ущерба окружающей среде в процессе этих действий. Особое внимание уделяется вопросам экологичной утилизации материалов демонтируемых изделий по окончании срока их службы.

В отличие от других видов продукции (например, автомобилей, упаковочных материалов) для железнодорожного подвижного состава общие положения закона не сформулированы в конкретной форме. Тем не менее аспекты его демонтажа и пригодности для утилизации приобретают все большее значение на фоне требований заказчиков в отношении точных сведений об общих затратах жизненного цикла, включая утилизацию.

Сознавая всю меру ответственности за свою продукцию, компания Alstom считает необходимым учитывать еще на стадии проектирования нового подвижного состава его возможные воздействия на окружающую среду, в том числе и по окончании срока службы, т. е. при демонтаже и утилизации. Однако в связи с большим сроком службы железнодорожного подвижного состава (до 30 лет) и более высокими эксплуатационными нагрузками, чем на автомобильном транспорте, до сих пор было мало конкретных данных о расходах по его окончательному демонтажу с сортировкой материалов в целях утилизации, а также о воздействии утилизации на окружающую среду. Лишь в последние годы появились публикации по этой тематике.

Для более глубокого изучения этих аспектов компания Alstom LHB, Зальцгиттер (Германия), в 1997 г. начала реализацию программы «Разработка подвижного состава, легко демонтируемого после списания и пригодного к утилизации». Необходимо было найти ответы на следующие вопросы:

1. С какими расходами и воздействиями на окружающую среду связаны в современных условиях демонтаж и сортировка материалов подвижного состава с целью утилизации?
2. Какими станут расходы и воздействия на окружающую среду через 20 – 30 лет с учетом различных сценариев дальнейшего развития?
3. Какую стратегию следует использовать при проектировании современного подвижного состава, чтобы он был легко демонтируемым, пригодным к утилизации и оказывал минимальное воздействие на окружающую среду по окончании жизненного цикла?

Для решения проблемы было необходимо определить характеристики используемых материалов с точки зрения их пригодности для утилизации, уничтожения без ущерба для окружающей среды компонентов, не подлежащих утилизации, а также возможности использования полученного вторичного сырья. В исследованиях следовало также учитывать объемы использования органического сырья. Основная цель программы — создание теоретической и практической базы для того, чтобы разрабатываемый подвижной состав мог быть утилизирован на 95 % (по массе). При этом 10 % его массы должны приходиться на органическое сырье.

Совместно с Alstom LHB над проектом работали проектная группа транспортной компании Гамбурга Hamburger Hochbahn и специалисты по экологии компании Agimus (Брауншвайг). Работы велись с сентября 1998 г. по декабрь 2000 г. На реализацию проекта в рамках программы Life Umwelt ЕС выделил 236 тыс. экю, что составило 30 % всей стоимости проекта.

Реализация проекта и результаты

Воздействия подвижного состава на окружающую среду в течение жизненного цикла

Существенные воздействия на окружающую среду возникают уже на стадии производства материалов, таких, как сталь, алюминий, стекло, пластмассы и т. д. В первую очередь здесь необходимо учитывать потребление энергии и ресурсов при добыче сырья, обработке и доставке материалов к месту изготовления подвижного состава. Таким образом, материалы еще до начала изготовления подвижного состава успевают нанести ущерб окружающей среде.

Во время самого процесса изготовления подвижного состава также необходима энергия, однако ее потребление при этом гораздо ниже, чем при добыче первичного сырья и его обработке. Значительная часть воздействий на окружающую среду в процессе изготовления подвижного состава приходится на долю отходов. Объемы отходов крупного предприятия, выпускающего подвижной состав, могут составить несколько тысяч тонн в год. Для их переработки необходимы значительные затраты.

При эксплуатации железнодорожного подвижного состава также расходуется энергия (на тягу поездов), что создает дополнительную нагрузку на окружающую среду. Отходы, возникающие в процессе ремонтов и технического обслуживания, играют при этом второстепенную роль.

В конце срока службы подвижного состава на первое место среди факторов воздействия на окружающую среду снова выдвигается проблема отходов. При этом должны рассматриваться не только отходы, связанные с утилизацией, но также и ее последствия (использование площадей под свалки, потребление энергии, загрязнение атмосферы и водоемов). Вредным воздействиям на окружающую среду в конце срока службы подвижного состава в проекте уделено особое внимание. Однако при поиске решений по их снижению рассматривались также и другие периоды жизненного цикла, так как технические решения, обеспечивающие возможность 100 %-ной утилизации, могут, например, приводить к повышению расхода энергии в процессе эксплуатации, что неприемлемо.

Кроме того, результаты исследования показали, что конструкторские решения, облегчающие разборку подвижного состава и повышающие возможность утилизации по окончании срока службы, в итоге способствуют снижению затрат LCC, особенно для дорогих в эксплуатации узлов и агрегатов.

Реализация проекта

Проект, для реализации которого потребовалось 27 месяцев, был разделен на 7 этапов. Задача первого заключалась в выборе подвижного состава, в наибольшей мере отвечающего задачам исследования. Он должен был отвечать требованиям по величине выпущенной серии и объему использованных материалов. Кроме того, для исследований важны были технологии, применявшиеся при проектировании и изготовлении подвижного состава. Этим требованиям соответствует поезд метрополитена Гамбурга серии DT4.4, тем более что транспортная компания города Hamburger Hochbahn проявила интерес к конкретным результатам исследования.

Поезда DT4.4 находятся в эксплуатации с начала 1990-х годов. Еще 25 ед. модификации DT4.5 находились в стадии изготовления в период подготовки и реализации проекта, что в значительной степени облегчало исследование некоторых узлов.

На втором этапе проводилось исследование конструкции вагонов. Целью его была разработка точного плана их разборки. Такой план был составлен на основе имеющейся конструкторской документации. В нем определялись последовательность демонтажа, вспомогательные средства и энергоносители, а также составлялся каталог демонтируемых элементов с указанием их числа и комплектующих деталей.

Эта так просто сформулированная задача на практике представляла собой детальное исследование, в процессе которого демонтировались тысячи деталей, входящих в состав 60 различных узлов. С точностью до грамма изучался состав материалов, из которых изготовлены эти детали, исследовались способы соединения отдельных деталей в узлы, а также возможность демонтажа и его стоимость, так как на практике никто не захочет потратить на разборку некоторых узлов сумму, которая окажется меньше стоимости полученных материалов.

Целью третьего этапа была проверка реальности плана демонтажа и выявление частных проблем. Для этого полученные теоретические результаты были проверены на подвижном составе, который находился на ремонте в Гамбурге. Процесс разборки узлов, предусмотренной технологией ремонта, хронометрировался, все операции фиксировались в протоколе. Материалы деталей, полученных в результате разборки узлов, были условно рассортированы на отходы и утилизируемое вторичное сырье.

В качестве промежуточного результата на этом этапе исследований была составлена таблица с перечнем деталей, указанием исходных и получаемых после утилизации материалов, а также времени, необходимого для демонтажа. О точности работы исследователей говорит тот факт, что при сложении масс деталей, указанных в перечне, полученная сумма имела отклонение от реальной массы поезда менее 0,03 % (74 510 кг и 74 533 кг). Такая тщательность при составлении плана демонтажа может показаться излишней, но в рассматриваемых исследованиях она диктовалась необходимостью в достаточной для принятия решений точности данных.

На четвертом этапе исследований анализировали операции демонтажа и утилизации с точки зрения их экономической эффективности, объемов затрат и экологии. Для этого электронными методами обработки данных для каждого узла определяли в процентах долю материала, возвращаемого в оборот при утилизации. При этом были причислены к отходам материалы:

• не возвращаемые в оборот из-за невозможности разделения деталей из разнородных материалов;
• теоретически разделяемые, но не утилизируемые из-за больших затрат, которые потребовались бы для разборки узлов.

В качестве издержек рассматривали не только затраты на персонал, но также и расходы, связанные с утилизацией материалов или операциями с отходами. При этом исследовали размеры издержек по различным вариантам (например, определение затрат на 1 чел.-ч при утилизации, расходов, связанных с отправкой отходов на свалку, доходов от полученного вторичного сырья и т. д.), моделировали различные сценарии перспектив развития техники.

Выполнение рассмотренных этапов выявило более 200 различных проблем, причины которых во многом были одинаковыми. Анализ возможного ущерба окружающей среде проводили в форме упрощенного экологического баланса по стандарту ISO 14040 с учетом таких факторов, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя и образование фотоокислителей.

По результатам четырех этапов было исследовано распределение приоритетности операций. Это исследование стало пятым этапом проекта, при реализации которого были составлены перечни операций по демонтажу, расположенных в порядке очередности их выполнения, и отходов, распределенных по степени вредного воздействия на окружающую среду.

Таким образом, были определены главные и второстепенные проблемы. После этого осталось еще 40 вопросов, для решения которых требовались дополнительные работы по обработке данных. Каждая из этих проблем характеризует одно из свойств конструкции, которое считалось удовлетворительным при традиционном подходе, а при учете экологических и экономических последствий демонтажа требует оптимизации. Основными элементами, требующими оптимизации, являются, например, полы, внутренняя обшивка, окна и кабина машиниста. Узлы, выполненные в основном из металла (например, тележки), связаны с меньшими проблемами.

На шестом этапе проводилось количественное исследование на основе разработанной стратегии. Основной задачей этапа было исключение возможного дублирования работ на следующем, седьмом этапе путем выявления опубликованных методов решения отдельных проблем.

На седьмом этапе разработаны стратегия и детальные решения для предотвращения вредных воздействий на окружающую среду, которые были признаны приоритетными на предыдущих этапах. Для этого узлы, признанные особенно неблагополучными с экономической и экологической точек зрения, исследовались с целью внесения изменений в конструкцию.

Совместно с конструкторами определялись основные правила проектирования на перспективу. Среди таких правил можно назвать отказ от композиционных и комбинированных материалов, использование разъемных соединений и материалов, пригодных для утилизации. Новизна такого подхода заключалась в поиске решений, которые были бы приемлемыми при разработке конструкций подвижного состава, предназначенного для разных условий эксплуатации.

Утилизация, баланс исходныхи вторичных материалов

Об утилизируемости подвижного состава можно судить по четырем основным критериям:

• использованные в конструкции материалы;
• применявшиеся способы соединения деталей и узлов;
• требования правовых норм;
• ситуация на рынке.

На два последних критерия изготовители подвижного состава повлиять не могут и поэтому должны воспринимать их как должное. Что касается материалов и технологий соединения, то здесь имеются различные возможности воздействия, что было также доказано в процессе реализации рассматриваемого проекта. На втором его этапе, когда проводилось ретроспективное исследование поезда DT4.4, использовали конструкторскую документацию. На ее основе решали задачу улучшения существуюшей конструкции с точки зрения рационализации демонтажа и повышения экологичности процесса утилизации.

Решаемые в данном случае проблемы при более близком рассмотрении оказываются достаточно сложными. Для повторного использования материала необходимо не только слить охлаждающие жидкости из всех систем вагона или поезда и удалить опасные материалы, но также и разделить компоненты комбинированных материалов, что не предусматривалось при разработке конструкции. Последнее необходимо для того, чтобы ограничить объем неутилизируемых комплексных отходов.

Разработанный план демонтажа включает в себя:

• порядок выполнения операций при демонтаже для достижения максимальной эффективности работы;
• расчет необходимых затрат рабочей силы, времени, энергоресурсов и материалов по узлам или рабочим операциям;
• учет количества остающихся после демонтажа материалов;
• сортировку материалов на утилизируемые и не подлежащие утилизации (отходы);
• определение способов удаления отходов и объема необходимых для этого затрат.

В результате проведенных работ было установлено 40 различных видов исходных материалов. К этому еще следует добавить электронные устройства и продукты химии, разделение которых на отдельные материалы в рамках данного проекта не представляется возможным.

В качестве выходных фракций, которые получают в результате демонтажа, выполняемого с учетом существующих требований, ситуации на рынке и допустимого уровня расходов, было получено 24 различных материала. Весовые соотношения исходных материалов и выходных фракций (вторичного сырья) представлены в таблице.

Исходные материалы и выходные фракции, т

Материал	Исходный	Выходная фракция
Сталь конструкционная	37,17	0, 825
Нержавеющая сталь	14,57	1,04
Алюминиевые сплавы	6,3	2,235
Пластмассы	3,27	0,197
Медь	2,91	0,09
Продукты химии	1,596	–
Древесина	1,58	0,043
Стекло	1,41	1,41
Другие металлы	0,85	–
Резина	0,78	0,045
Поливинилхлорид	0,596	0,121
Рабочие жидкости	–	0,584
Прочие материалы	3,47	–
Смесь неразделяемых материалов	–	6,82
Лом электронных компонентов	–	3,14
Скрап	–	57,56

В отношении демонтажа подвижного состава и утилизации материалов по окончании срока службы исследованиями установлено следующее:

• для демонтажа единицы подвижного состава рассматриваемой серии и сортировки полученных материалов с учетом экологических требований необходимо около 750 чел.-ч. Общие расходы при этом (по состоянию на декабрь 2000 г.) составляют 29,5 тыс. нем. марок. Однако сумма этих расходов в значительной степени зависит от стоимости стали, полученной при утилизации. Она также может колебаться в зависимости от затрат на персонал и расходов на удаление фракций, не подлежащих утилизации. С учетом изменяющихся условий (в частности, повышения налогов на ресурсы) можно с большой степенью вероятности предположить, что через 10 – 20 лет эта сумма может увеличиться в несколько раз;
• после сортировки материалов после разборки значительная часть материалов остается в составе смешанных фракций. Так из 37,17 т стали только 825 кг получается в виде чистой выходной фракции, пригодной для непосредственной утилизации (см. таблицу). Значительная часть всех материалов остается в составе девяти смешанных фракций (лом электронных приборов, неразделимые смеси химических материалов и др.). Извлечение отдельных материалов из смешанных фракций экономически нецелесообразно, поскольку связано с большими издержками и расходом энергии;
• многие материалы не могут быть подвергнуты утилизации лишь по той причине, что являются составной частью комбинированных материалов (полы, части внутреннего оборудования) или из-за особых условий их использования на подвижном составе (например, с ламинированным покрытием);
• удобная для демонтажа конструкция подвижного состава может быть обеспечена только с участием в процессе проектирования поставщиков комплектующих изделий, таких, например, как пассажирские кресла, напольные покрытия и т. д. Поэтому в техническое задание наряду с функциональными и гарантийными требованиями должны быть также включены требования по демонтажу и составу материалов комплектующих;
• установившаяся в последние годы тенденция перехода к облегченным конструкциям с экологической точки зрения, без сомнения, является шагом в правильном направлении, так как потребление тяговой энергии, которое возрастает с увеличение массы подвижного состава, является одним из основных аспектов вредного воздействия на окружающую среду. Однако с точки зрения затрат жизненного цикла облегчение конструкции только в том случае может дать положительные результаты, если устанавливаемые облегченные детали (как правило, из пластмассы) без труда могут быть разобраны на составные части и отделены от других узлов (например, от кузова вагона).

Проблемы и пути их решения

Целью пятого этапа проекта, как уже упоминалось, было определение порядка выполнения рабочих операций по демонтажу и составление перечня отходов с учетом экономических и экологических аспектов. На основании этого перечня были определены основные и второстепенные проблемы.

Таким образом, впервые появился перечень факторов вредного воздействия железнодорожного подвижного состава на окружающую среду в течение всего жизненного цикла и после окончания срока эксплуатации. Помимо этого была разработана оптимизированная концепция демонтажа.

Выбранные из 200 первоначально рассмотренных проблем 40 наиболее значительных касались многих аспектов разработки конструкций, в частности объемов выходных фракций, которые подлежат утилизации. В рамках проекта ставили задачу поиска таких конструкторских решений, которые при сохранении существующих технических характеристик обеспечивали бы более легкий демонтаж и утилизацию. Все подобные проблемы решали совместно с конструкторами, которые были хорошо знакомы с соответствующими узлами. После этого выполняли экологический анализ проблемы и решали вопрос обеспечения техническими средствами.

Полученные в ходе реализации проекта результаты и разработанные примеры технических решений должны способствовать снижению затрат жизненного цикла подвижного состава. В большинстве своем они относятся не только к выбранному в качестве примера поезду DT4.4, но также и к большинству современного подвижного состава. Разработанные требования отражены в конструкторской документации и в будущем должны использоваться с учетом требований заказчиков и ситуации на рынке. Часть решений, полученных в процессе реализации проекта, послужит основой для улучшения экологических параметров подвижного состава компании Alstom. В связи с этим необходимо выделить следующие аспекты:

• некоторые основные правила создания конструкции с облегченными условиями демонтажа после списания будут учитываться в процессе проектирования. Специалисты должны будут в определенных пунктах проекта подтверждать использование результатов рассмотренного исследования, что должно способствовать снижению расходов на демонтаж и увеличению объема выходных фракций, пригодных для утилизации. Этот новый подход, заключающийся в проектировании изделий с учетом процессов демонтажа и утилизации, особенно важен для промышленности, выпускающей подвижной состав с длительными сроками службы;
• в распоряжении конструкторов в настоящее время имеется методика MREC, которая позволяет сравнивать существующие альтернативные материалы или конструкции с точки зрения экологических последствий и принимать правильные решения.

Ориентация на упрощение демонтажа и увеличение объемов утилизируемых материалов уже начинает давать первые положительные результаты. Когда компания Hamburger Hochbahn заказала для метрополитена еще 25 поездов усовершенствованной модификации DT4.5, опыт, полученный в ходе реализации рассматриваемого проекта по исследованию поезда DT4.4., был использован непосредственно при проектировании нового подвижного состава. На некоторых узлах было достигнуто явное улучшение с точки зрения упрощения демонтажа и повышения объема выходных фракций, пригодных для утилизации:

• облицовка боковых стенок;
• потолок из алюминия без использования многослойных панелей;
• некоторые элементы внутреннего оборудования, изготовленные из вторичного сырья;
• изоляция кабелей и кабельные каналы из пластика, не содержащего галогенов;
• задняя стенка кабины машиниста, при конструировании которой отказались от использования комбинированных материалов;
• лобовое стекло с резиновым уплотнением;
• напольное покрытие, не содержащее поливинилхлорида.

Ситуация на рынке комплектующих частей и материалов, а также требования заказчиков всегда будут вносить свои коррективы в процесс проектирования. Однако на основе полученных результатов можно будет предложить различные альтернативные варианты, а также показать преимущества и недостатки тех или иных конструкторских решений и материалов.

При комплексном подходе к процессу проектирования подвижной состав должен изготавливаться таким образом, чтобы более 95 % его массы можно было эффективно утилизировать. За счет реализации рассмотренного проекта были получены данные и создана теоретическая база для того, чтобы на высоком информационном уровне удовлетворять запросы заказчиков в отношении экологической чистоты процессов демонтажа и пригодности используемых материалов к утилизации. Кроме того, появилась возможность оказывать более целенаправленное воздействие на затраты жизненного цикла подвижного состава.

W. Trommler et al. Glasers Annalen, 2001, № 4, S. 149 – 156.