REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN DE LOS VEHÍCULOS [con autocatalizadores y filtros de partículas del diésel] Proyecto de Humanidades/Ciencias de Otto Catalyst, Impreso 5HE
Índice 3 4 A. Generalidades sobre la contaminación de los vehículos y su prevención 8 B. El autocatalizador 11 C. Reducción de las emisiones de los motores de nafta 12 D. Reducción de las emisiones de los motores diésel 18 E. Información adicional acerca de los catalizadores y los filtros 21 F. Experiencia de Johnson Matthey en el postratamiento de los gases de escape Johnson Matthey es una empresa británica líder mundial en el mercado global de los autocatalizadores para el control de emisiones.
4 A. Generalidades sobre la contaminación de los vehículos y su prevención 1. Por qué reducir la contaminación de los vehículos? 3. Cuáles son los efectos de la contaminación en la salud y el medio ambiente? 5 La flexibilidad y la comodidad del transporte por carretera lo convierten en el modo más utilizado para el transporte de personas y mercadería. Sin embargo, el aumento de los movimientos de vehículos genera problemas relacionados con la contaminación y la congestión del tráfico. Todos los motores de combustión interna, independientemente de si son de nafta o diésel, emiten sustancias contaminantes a la atmósfera que repercuten negativamente en la salud y el medio ambiente. Cuanto más se usa el vehículo, mayor es el efecto nocivo que puede tener sobre la salud y el medio ambiente. 2. Qué tipo de sustancias contaminantes emiten los vehículos? Las cuatro sustancias contaminantes más importantes son el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos (HC), los óxidos de nitrógeno (NOx) y la materia particulada (MP). Los gobiernos de todo el mundo han fijado límites para sus emisiones. El CO es un gas tóxico y los HC contienen carcinógenos conocidos y especies fotoquímicamente activas que contribuyen a la formación de ozono a ras de suelo y smog. Las emisiones de NOx están relacionadas con la niebla tóxica, la lluvia ácida y algunos riesgos para la salud, como los problemas respiratorios. El ozono que aparece a ras de suelo es especialmente nocivo para las personas mayores, los niños y las personas con enfermedades pulmonares y cardiacas. Los ingresos hospitalarios y las muertes por causas respiratorias suelen aumentar durante los periodos en que los niveles de ozono son elevados. Mientras que el CO, los HC y los NOx son gases contaminantes, se habla de MP u hollín para referirse a las partículas sólidas emitidas por el motor. El hollín es mucho más que humo negro. Contiene un gran número de partículas ultrafinas que pasan desapercibidas a simple vista. La MP está formada principalmente de carbono e hidrocarburos absorbidos. Estas partículas minúsculas pueden ser inhaladas, lo cual puede causar enfermedades pulmonares y cardiacas o agravarlas. Los motores diésel tienden a producir más MP que los de nafta. Se estima que todos los años mueren muchas personas a causa de la inhalación de materia particulada. Solo en Londres, se considera que este hecho provoca unas mil muertes prematuras al año. Monóxido de carbono Óxidos de nitrógeno Materia particulada Hidrocarburos Asimismo, también es indeseable la emisión de dióxido de carbono (CO2) en los gases de escape. El CO2 se forma mediante la combustión del carburante en el motor y está estrechamente relacionado con el consumo de combustible del vehículo. Aunque las emisiones de CO2 se vinculan con el cambio climático a largo plazo, no causan problemas de contaminación local del aire y, por tanto, con el postratamiento de los gases de escape no se produce una reducción significativa. Shanghái padece el problema del smog. Vista de Shanghái en un día despejado.
6 4. Qué se está haciendo para reducir la contaminación? 7 Los fabricantes de vehículos y motores han hecho progresos significativos a lo largo de los años respecto a la reducción de las emisiones de sus motores. Sin embargo, los límites establecidos por ley son tales que también es necesario el postratamiento de los gases de escape. Dicho postratamiento se realiza a través de uno o más catalizadores que transforman los gases contaminantes en inofensivos, un filtro de partículas del diésel (DPF) para atrapar la materia particulada o la combinación de ambos. Actualmente, los camiones de gran tonelaje, los autobuses y las máquinas utilizadas en el sector de la construcción están equipados con filtros y catalizadores. Existen normativas acerca del nivel de impurezas que puede tener el combustible, la más importante de las cuales es el azufre. El azufre es una sustancia tóxica para muchos catalizadores y su contenido en los combustibles se ha reducido de varias miles de partes por millón (ppm) en las décadas de 1970 y 1980 hasta menos de 15 o 10 ppm en la actualidad. 5. Qué tipo de vehículos están equipados con sistemas de postratamiento de los gases de escape? Durante muchos años, los únicos vehículos que disponían de catalizadores eran los de turismo pero, actualmente, los camiones de gran tonelaje, los autobuses y las máquinas utilizadas en el sector de la construcción también cuentan con catalizadores y filtros. Desde 1974, los autocatalizadores se han utilizado en los coches que se vendían en América y Japón. Actualmente, la mayor parte de los vehículos nuevos necesitan catalizadores para cumplir los límites legislativos, cada vez más restrictivos. 6. Puede equiparse a los vehículos antiguos con sistemas de postratamiento de gases de escape? Las tecnologías de postratamiento de gases de escape se han instalado satisfactoriamente en vehículos diésel de gran tonelaje desde mediados de los noventa. Esto ha permitido que en las ciudades, sobre todo, se reduzcan los niveles de contaminación medioambiental. En muchas ciudades, un requisito para las zonas de bajas emisiones es que los vehículos cuyas emisiones no cumplen los límites establecidos por la ley estén equipados con un DPF. Esto es lo que se conoce como reacondicionamiento. La legislación que exigía que los vehículos de gran tonelaje estuvieran equipados con dispositivos de postratamiento de gases de escape llegó mucho después. La mayoría de estos vehículos tienen motores diésel, de modo que pueden necesitar un catalizador de oxidación diésel además de un DPF y/o un catalizador de reducción de NOx, en función de los límites de sustancias contaminantes que deban cumplir. 1970 Hoy Los filtros también pueden instalarse en los autobuses de turismo y turismos antiguos, aunque las limitaciones de espacio y diseño pueden dificultar el uso de DPF tan eficaces como los que se utilizan en los vehículos más grandes. Los filtros también pueden instalarse en los turismos antiguos y autobuses de turismo.
8 B. El autocatalizador 1. Qué es un autocatalizador? Un catalizador para el automóvil o autocatalizador es el componente activo de un convertidor catalítico. Consiste en un sustrato recubierto de un catalizador de metales preciosos. El sustrato puede ser metálico o un bloque cerámico (la opción más habitual) y miles de canales finos lo recorren. A su vez, los canales están revestidos de un preparado químico o washcoat para aumentar la superficie y mejorar la actividad de los materiales catalizadores. El preparado químico conocido como waschcoat, al mismo tiempo, está recubierto o se combina con una capa muy fina de partículas minúsculas dispersas de metales preciosos, como el platino. La superficie del sustrato no recubierta es de unos pocos metros cuadrados pero, después de ser recubierto con el soporte, aumenta hasta alcanzar una superficie equivalente a tres o más campos de fútbol. Este hecho hace que aumente significativamente la superficie del catalizador de metales preciosos que debe entrar en contacto con los gases de escape, y esa es una de las razones por las que los autocatalizadores trabajan con tanta rapidez después del encendido del motor del vehículo. El autocatalizador se encapsula en una carcaza de acero inoxidable para crear un convertidor catalítico que se instala en el tubo de escape del vehículo, por lo general lo más cerca del motor posible. 2. Qué hace un autocatalizador? Los autocatalizadores reducen la contaminación generada por los vehículos en más de un 90%. Incluso los mejores motores existentes actualmente no queman todo el combustible que utilizan y, por lo tanto, generan gases de escape que contienen HC y CO a causa de la combustión incompleta del combustible y el aire. Otras reacciones colaterales de la combustión son la oxidación del nitrógeno (N 2 ) a partir de la entrada de aire en el motor para la creación de óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2 ), conocidos conjuntamente como NO X. Un autocatalizador instalado en la salida del motor disminuiría las emisiones contaminantes oxidándolas o reduciéndolas a dióxido de carbono (CO 2 ), agua (H 2 O) y nitrógeno inocuos. [HC] + [NO x ] + CO 9 Una vez que el sustrato está revestido, su superficie aumenta hasta alcanzar una superficie equivalente a tres o más campos de fútbol. Un catalizador de tres vías puede reducir el CO, los HC y el NO X en más de un 99% si la proporción entre aire y combustible está controlada con exactitud. N 2 + CO 2 + H 2 O
10 3. Cómo funciona el autocatalizador? 4. Cuál es la eficacia de los autocatalizadores? 11 Los metales del grupo del platino (principalmente el platino, el paladio y el rodio) provocan activamente las reacciones químicas que controlan las emisiones. Igual que con todos los catalizadores, estos metales no se consumen en las reacciones que desencadenan. El rendimiento de un autocatalizador depende de las sustancias químicas presentes a la salida del motor y, especialmente, de la proporción entre aire y combustible. Cuando hay más aire que combustible en el proceso de combustión, es una mezcla pobre. En cambio, cuando hay más combustible que aire, es una mezcla rica. En condiciones de mezcla pobre, el autocatalizador funcionará como un catalizador de oxidación y oxidará el CO y los HC en CO2 y agua. En condiciones de mezcla rica, el catalizador transformará de manera preferente el NOX en nitrógeno. Eficiencia de la conversión % La mezcla de combustible y aire que sale del motor repercute significativamente en el rendimiento del autocatalizador. 100 CO 95 90 HC totales 85 80 75 70 65 NO x 60 55 50 0.990 0.992 0.994 0.996 0.998 1.000 1.002 1.004 1.006 1.008 Mezcla rica Proporción entre aire/combustible ( ) Conversión de 3 vías Mezcla pobre Mezcla rica Mezcla pobre Aire Combustible Los autocatalizadores empiezan a trabajar con mucha rapidez, normalmente a los 15 o 20 segundos del encendido del motor, por lo que son muy eficaces incluso en los trayectos cortos. El calor residual generado por la combustión del carburante hace que la salida del motor esté muy caliente y el catalizador alcance con rapidez la temperatura necesaria para su funcionamiento. Cuanto más cerca esté el catalizador del motor, más rápido se calentará y empezará a funcionar. Los autocatalizadores empiezan a trabajar con mucha rapidez, normalmente a los 15 o 20 segundos del encendido del motor. Cómo funciona un catalizador de tres vías? C. Reducción de las emisiones de los motores de nafta En el caso de los motores de nafta, es posible controlar con mucha exactitud la proporción entre aire y combustible para alcanzar la proporción ideal de aproximadamente 14,7 partes de aire por 1 parte de combustible. De ese modo, se produce la combustión completa de ambos. Con esta proporción estequiométrica, conocida como lambda =1, el autocatalizador puede trabajar a la vez como catalizador de reducción y de oxidación. Un convertidor catalítico instalado en la salida del motor de un coche moderno suele ser capaz de reducir las emisiones de las tres sustancias contaminantes principales en más de un 99% cuando alcanza la temperatura de funcionamiento normal. Este tipo de autocatalizador se llama catalizador de tres vías. CONVERSIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE EN UN CATALIZADOR DE TRES VÍAS Reducción Oxidación 2CO + 2NO > 2CO2 + N2 2CO + O2 > 2CO2 HC + NO > CO2 + H2O + N2 HC + O2 > CO2 + H2O
12 D. Reducción de las emisiones de los motores diésel 13 1. Cómo pueden reducirse las emisiones de los motores diésel? Los motores diésel suelen funcionar con más aire que combustible (mezcla pobre) y, por lo tanto, los autocatalizadores diésel acostumbran a funcionar como catalizadores de oxidación (por eso se conocen como catalizadores diésel de oxidación o DOC) reduciendo las emisiones de CO y HC en más de un 90%. El sistema CRT patentado de Johnson Matthey es la tecnología DPF de reacondicionamiento más utilizada del mundo Gas de entrada Catalizador Gas de salida Sin embargo, tiene un efecto limitado sobre las emisiones de NO X, por lo que tienen que utilizarse otras tecnologías para reducir las emisiones de MP y NO X de los motores diésel. 2. Qué es un filtro de partículas del diésel? Rendimiento del sistema CRT Motor de camión Euro 1, ciclo ESC Filtro La estructura de un filtro de partículas del diésel (DPF) es similar a la de un autocatalizador, pero se diferencia en el hecho de que al menos una parte de los gases de escape pasa por un filtro físico. Los más comunes y conocidos son los filtros de paredes porosas, que suelen utilizar un sustrato apanalado de cerámica y cordierita o carburo de silicio. La mitad de los canales están sellados por la cara interna siguiendo un patrón de tipo tablero de ajedrez. Los canales alternos restantes se sellan por la cara externa del sustrato. Los gases de escape no pueden pasar directamente a través del dispositivo, sino que tienen que pasar por las paredes que hay entre los canales y la materia particulada depositada en las paredes. Catalizador Filtro Otros materiales de filtro son las placas metálicas sinterizadas, los fieltros metálicos y las estructuras metálicas recubiertas de espuma. Los DPF pueden ser descatalizados, ya que son capaces de atrapar la MP independientemente de si tienen un revestimiento catalítico o no. Como alternativa, se puede aplicar un catalizador en el sustrato para generar un DPF catalizado. Esto también se conoce como filtro de hollín catalizado o CSF. g/k Wh 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 HCxIO CO NOx/IO PMxIO Salida del motor + sistema CRT Salida del motor Los filtros de partículas diésel reducen las emisiones en más de un 90% y la materia particulada en más de un 99%.
14 3. Qué hace un DPF? 4. Cómo funciona un DPF? 15 Los filtros reducen las emisiones en más de un 90% y la materia particulada en más de un 99%. Para algunas aplicaciones, los filtros parciales pueden ser más adecuados, puesto que reducen más emisiones de MP que los DOC pero menos que un filtro completo. El material atrapado en el filtro está compuesto principalmente por partículas de carbono (C) con algunos hidrocarburos absorbidos. Hay dos técnicas principales para eliminar las partículas: Regeneración activa Combustión con oxígeno (O 2 ) a unos 600 C [C] + O 2 > CO 2 Regeneración pasiva Combustión con dióxido de nitrógeno (NO 2 ) a unos 250-300 C (NO 2 ) from approximately 250-300 C [C] + 2NO 2 > CO 2 + 2NO Los motores diésel producen más MP que los de nafta. Un DPF atrapa la materia particulada, o el hollín, presente en los gases de escape diésel y evita que salga del tubo de escape. Es necesario aumentar periódicamente la temperatura del filtro para que el hollín atrapado se queme y así evitar que este se obture. Este proceso de llama regeneración y garantiza que el vehículo siga funcionando con normalidad y eficacia y que el filtro no resulte dañado. Índice de combustión del hollín (intensidad de CO 2 ) Temperatura de los gases de escape del diésel NO 2 O 2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperatura C
16 Los sistemas DPF que son capaces de regenerarse utilizando únicamente el flujo de gases de escape, sin ninguna otra ayuda, se conocen como sistemas pasivos. Los sistemas CRT (filtro de regeneración continua) y CCRT (CRT catalizado) disponen de un catalizador de oxidación delante del filtro (a veces catalizado) para generar el NO 2 necesario para mantenerlo limpio. Esta tecnología permite que el DPF funcione en un rango más amplio de condiciones que cualquier otro sistema pasivo. 6. Existen dos tipos principales de sistemas SCR Su clasificación depende del tipo de reductor utilizado: SCR de amoniaco: la urea es la fuente de amoniaco más común. SCR de hidrocarburo: el combustible diésel es la fuente de HC. 17 Los sistemas pasivos suelen ser los más demandados, especialmente para las aplicaciones de reacondicionamiento, porque no tienen que integrarse en el motor, no necesitan otra fuente de energía distinta a los propios gases de escape y no disponen de sistemas de control complicados. Los sistemas SCR de amoniaco combinan el amoniaco (NH 3 ) con el NO x para generar nitrógeno y agua. Pueden producirse tres tipos de reacciones: Cualquier aplicación en la que no pueda garantizarse que las condiciones de los gases de escape serán las adecuadas para un sistema de regeneración pasiva requerirá una regeneración activa. La mayoría de las técnicas de regeneración activa de filtros funcionan aumentando la temperatura del filtro hasta los 600º C. A esta temperatura, el hollín atrapado en el filtro se combustiona rápidamente con el oxígeno. El contenido de HC de los gases de escape puede incrementarse periódicamente mediante la postinyección en los cilindros o la inyección directa de combustible en el flujo de gases de escape. Los HC se queman en el catalizador, lo cual hace que aumente la temperatura del DPF para poder quemar la MP recogida. 4NH 3 + 4NO + O 2 > 4N 2 + 6H 2 O 2NH 3 + NO + NO 2 > 2N 2 + 3H 2 O 8NH 3 + 6NO 2 > 7N 2 + 12H 2 O Puede utilizarse cualquier fuente de amoniaco, pero por lo general se utiliza una solución acuosa de urea conocida comercialmente como AdBlue en Europa, fluido de escape diésel (DEF, Diesel Exhaust Fluid) en América del Norte y ARLA 32 en Brasil. Esta solución se descompone en el flujo de gases de escape para formar amoniaco y dióxido de carbono (CO 2 ). 5. Qué sucede con las emisiones de NO X de los vehículos diésel? NO x Sistema SCR de urea Del mismo modo que las estrategias de gestión del motor, los catalizadores también pueden incluirse en los sistemas de postratamiento, especialmente para reducir las emisiones de NO X. Hay dos estrategias principales para eliminar el NO X de los gases de escape del diésel. Los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) actúan reduciendo químicamente el NO y el NO 2 a N 2 utilizando un reductor, como una solución de urea, que se añade a los gases de escape. Los catalizadores que absorben NO X (NAC) lo eliminan de un flujo de gases de mezcla pobre mediante su absorción química en el catalizador y la posterior eliminación en condiciones de mezcla rica o estequiométricas. La absorción es la adhesión de una capa fina de moléculas a la superficie de una sustancia sólida o líquida. Urea N 2 + CO 2 + H 2 O Los sistemas SCR de hidrocarburos utilizan los HC como reductor. Los hidrocarburos pueden estar presentes en los gases de escape o pueden añadirse. Estos sistemas no requieren el uso de un reductor adicional (por ejemplo, urea). El tipo de reacción depende del tipo de hidrocarburo utilizado, pero la siguiente secuencia describe la reacción completa en el sistema: [HC] + [NO x ] > N 2 + CO 2 + H 2 O
18 7. Catalizadores que absorben NO X (NAC) 2. Los autocatalizadores y los DPF son lo mismo? 19 Los NAC pueden eliminar el NO X de un flujo de gases de mezcla pobre mediante su absorción química en el catalizador. El proceso de absorción libera CO 2, que más tarde es reabsorbido durante el proceso. Los NAC tienen una capacidad de absorción de NO X limitada, pero pueden regenerarse cambiando a un flujo de gases de mezcla rica. En estas condiciones, se producen dos reacciones. En primer lugar, el catalizador libera el NO X y, por lo tanto, se regenera. A continuación, el NO X queda reducido a nitrógeno. E. Información adicional acerca de los catalizadores y los filtros 1. Cuánto duran los catalizadores y los filtros? No, los autocatalizadores están diseñados para motores y vehículos específicos. Los especialistas en catalizadores trabajan junto con los ingenieros y diseñadores de vehículos para asegurarse de lograr una solución eficaz y duradera. Los dispositivos catalíticos de reducción forman parte del enfoque de la ingeniería de sistemas acerca del control de emisiones. Los motores modernos pueden disminuir las emisiones gracias a un mejor diseño de la cámara de combustión y un mayor control del proceso de combustión a través de una proporción más exacta entre aire y combustible. Los catalizadores y los filtros se desarrollan a la vez que estos motores para obtener mejores resultados. A menos que se produzca un fallo mecánico, los catalizadores y los filtros deberían durar durante toda la vida útil del vehículo. Siguen siendo eficaces siempre y cuando se realice el mantenimiento adecuado al vehículo. La normativa sobre emisiones de vehículos incluye un requisito de durabilidad según el cual las emisiones deben mantenerse por debajo de un cierto límite durante un kilometraje determinado. Dicha cifra varía en función del país, pero puede oscilar de los 80.000 km a más del doble. Los requisitos de los vehículos de gran tonelaje pueden ser incluso mayores. Algunos de los camiones más pesados tienen que mantener el nivel de emisiones durante 500.000 km. Hasta 500.000 km 3. Cómo afectarán los combustibles alternativos al rendimiento de los sistemas catalíticos de postratamiento? El postratamiento de los gases de escape puede diseñarse para funcionar con todos los combustibles alternativos más comunes, como el CNG, el LPG, el biodiésel y el etanol. Igual que sucede con otros componentes del motor, el tipo y la especificación del combustible puede afectar al rendimiento y la durabilidad del catalizador. Surtidor Nafta Diésel GNC GLP Biodiésel Etanol
20 Uno de los principales problemas que afectan al rendimiento de los catalizadores son las impurezas del combustible. El fósforo es una impureza presente en algunas variedades de biodiésel y puede inhibir la actividad del catalizador, aunque si se mantiene bajo un cierto nivel no tienen por qué producirse efectos adversos. En general, deberían tenerse en cuenta las recomendaciones de los fabricantes en relación con el uso de combustibles alternativos o no estándar. F. Experiencia de Johnson Matthey en el postratamiento de los gases de escape Qué relación tiene Johnson Matthey con las tecnologías de autocatalizadores? 21 4. Cómo se desarrollan los catalizadores para el control de las emisiones? Los nuevos tipos de catalizadores y los materiales catalizadores se desarrollan en primer lugar en el laboratorio. Después, los más prometedores se prueban en los motores y los coches de muchas formas distintas. Las condiciones de la conducción real pueden reproducirse en un banco de pruebas móvil o un circuito que refleje las velocidades y las condiciones que suelen alcanzar los vehículos en las carreteras. Las condiciones de durabilidad aceleradas pueden aplicarse en los motores de prueba reproduciendo en mayor proporción las condiciones de conducción más duras. Johnson Matthey ha fabricado más de 500.000.000 autocatalizadores en sus fábricas de América del Norte y América del Sur, Europa, África y Asia.
22 Muy bien, Otto. Un trabajo estupendo. Se nota que has disfrutado trabajando en él. Consulta www.jmect.com para saber aún más sobre catalizadores. www.matthey.com Johnson Matthey 2013