1

Ograniczenie emisji NO

x

ze źródeł spalania w transporcie

Paweł Skiba

Piotr Skiba

Krystian Skierski

GRUPA 4 INŻYNIERIA ŚRODOWISKA

2

Spis treści

1

Wstęp ............................................................................................................................................... 3

2

Ogólna charakterystyka NO

x

........................................................................................................... 3

2.1

Mechanizmy powstawania NO

x

.............................................................................................. 4

2.2

Działanie toksyczne ................................................................................................................. 5

3

Silnik spalinowy

.............................................................................................................................. 5

3.1

Zasady działania ...................................................................................................................... 5

3.2

Emisja spalin

........................................................................................................................... 5

3.3

Metody redukcji NO

x

.............................................................................................................. 6

3.3.1

Reaktor katalityczny

........................................................................................................ 6

3.3.2

Technologia Adblue

........................................................................................................ 7

3.4

Normy emisji EURO

............................................................................................................... 7

4

Silnik elektryczny

............................................................................................................................ 8

5

Silnik hybrydowy

............................................................................................................................ 9

5.1

Ogólna charakterystyka

........................................................................................................... 9

5.2

Rodzaje napędów hybrydowych.............................................................................................. 9

6

Ogniwa paliwowe

............................................................................................................................ 9

6.1

Ogólna charakterystyka ogniw paliwowych

........................................................................... 9

6.2

Zasada działania ogniwa paliwowego PEM .......................................................................... 10

6.3

Zastosowanie ogniw paliwowych w transporcie i komunikacji

............................................ 11

6.4

Wpływ na środowisko ........................................................................................................... 11

7

Podsumowanie

............................................................................................................................... 12

8

Literatura

....................................................................................................................................... 14

3

1 Wstęp

W ostatnich latach dynamiczny rozwój transportu jest istotnym czynnikiem rozwoju

gospodarczego świata i jednocześnie znaczącym problemem zwłaszcza w dużych

aglomeracjach miejskich. Negatywne skutki są odczuwane nie tylko przez ludzi ale również

przez środowisko naturalne. W skali Unii Europejskiej transport jest źródłem niemal 54%

całkowitej emisji tlenków azotu.

Niezwykle istotnym zagadnieniem w obliczu współczesnych zagrożeń ze strony transportu

jest zapobieganie ich występowaniu, a gdy nie jest to możliwe ich ograniczanie. Niezbędne

jest wprowadzanie właściwych regulacji prawnych i administracyjnych.

Transport drogowy jest jednym z głównych źródeł emisji zanieczyszczeń powietrza,

stanowiących zagrożenie dla środowiska przyrodniczego, zdrowia, a nawet życia człowieka.

Wskutek spalania paliw w silnikach pojazdów do powietrza trafiają: tlenek węgla, tlenki

azotu, węglowodory, w tym wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz cząstki stałe

i metale ciężkie. Według danych Głównego Urzędu Statystycznego z roku 2009 , w skali

kraju sektor ten odpowiedzialny jest za ponad 28% całkowitej emisji tlenków azotu, a w skali

europejskiej to niemal 39%.

2 Ogólna charakterystyka NO

x

Spośród wielu znanych związków tlenu z azotem (N

2

O , NO, NO

2

, N

2

O

3

, N

2

O

5

) w

procesach spalania powstają głównie tlenek azotu NO oraz dwutlenek azotu NO

2,

jako

uboczne produkty reakcji pomiędzy tlenem i azotem atmosferycznym przy czym najpierw

powstaje tlenek azotu NO, a następnie w wyniku jego utleniania – NO

2.

Sumarycznie oznacza

się je w nomenklaturze silnikowej symbolem NO

x

.

Tlenek azotu jest bezbarwnym, bezzapachowym gazem, który powstaje w wysokiej

temperaturze w wyniku reakcji pomiędzy tlenem a azotem, a także procesu produkcyjnego

kwasu azotowego i nawozów azotowych. Nie reaguje z wodą, łączy się natomiast z tlenem,

tworząc NO

2

.

Dwutlenek azotu NO

2

jest gazem o barwie czerwonobrunatnej, o charakterystycznym

nieprzyjemnym zapachu, bardzo silnie trującym. Powstaje w wyniku reakcji pomiędzy NO i

tlenem.

4

2.1 Mechanizmy powstawania NO

x

Dominują 3 mechanizmy powstawania tlenków azotu w procesach spalania, według których

tlenki azotu dzieli się na:

1) Termiczne

2) Szybkie

3) Paliwowe

Tlenki szybkie i termiczne NO

x

tworzą się w wyniku utleniania azotu cząsteczkowego – N

2

wchodzącego w skład powietrza spalania, natomiast paliwowe – w wyniku utleniania azotu

związanego w paliwie. Tlenki azotu szybkie i paliwowe powstają w początkowej strefie

płomienia, a termiczne – w strefie maksymalnych temperatur spalania i schładzania

produktów spalania.

W tabeli 1 schematycznie przedstawiono mechanizmy powstawania poszczególnych

rodzajów tlenków azotu w procesie spalania.

Tabela 1 Mechanizmy powstawania NOx

Źródło azotu

Środowisko reakcji

Rodzaj NO

x

Główne czynniki

sprzyjające

powstawaniu NO

x

Azot powietrza

spalania N

2

Azot paliwa N

Gazy spalinowe

Płomień

Termiczne

Paliwowe

Szybkie

- temperatura 1300

o

C

- koncentracja O z

dysocjacji O

2

- współczynnik

nadmiaru powietrza

- zawartość azotu w

paliwie,

- koncentracja O

2

- współczynnik

nadmiaru powietrza

- koncentracja tlenu

atomowego

- temperatura

miejscowa

5

2.2 Działanie toksyczne

Tlenki azotu po wniknięciu do dróg oddechowych łączą się z wodą tworząc silne kwasy, które

powodują trudności w oddychaniu a następnie bardzo niebezpieczne dla życia człowieka

obrzęki płuc. Powodują one również przy współudziale węglowodorów powstawanie smogu

fotochemicznego oraz tworzą silnie toksyczne utleniacze fotochemiczne. Emisja tlenków

azotu jest także główną przyczyną obok emisji tlenków siarki występowania kwaśnych

deszczy. Wnioskując należy stwierdzić że NO

x

należą do jednych z najbardziej

niebezpiecznych produktów spalania o szerokim działaniu toksykologicznym.

3 Silnik spalinowy

3.1 Zasady działania

Działanie silnika spalinowego polega na zamianie energii cieplnej na energię mechaniczną.

Podczas zamiany energii cieplnej w mechaniczną spalane paliwo wytwarza w cylindrach duże

ciśnienie, które porusza tłokami silnika. Aby doszło do porządnej reakcji należy do silnika

dostarczyć odpowiednią ilość ciepła. Efektem tego będzie otrzymanie energii mechanicznej

na wale silnika. Ilość otrzymanej energie mechanicznej jest zawsze mniejsza od ilości

dostarczonej energii cieplnej. Powodem tego są straty występujące podczas przemiany energii

cieplnej na mechaniczną.

3.2 Emisja spalin

Mieszanka o składzie optymalnym, w której proporcja spalanego paliwa do objętości

powietrza jest idealna, po spaleniu wyprodukuje tylko dwutlenek węgla (CO2) oraz parę

wodną (H2O). W rzeczywistych warunkach spalana mieszanka paliwowo-powietrzna nigdy

nie jest idealna, a sam proces spalania nigdy nie jest zupełny. Do tego należy dodać że paliwa

zawierają szereg dodatków i zanieczyszczeń, które również nie ulegają spaleniu.

Gazy wydechowe zawierają dodatkowo ok. 1% substancji szkodliwych, głównie tlenki węgla,

tlenki azotu, cząstki stałe i węglowodory. Udział objętościowy składników spalin został

przedstawiony na diagramie.

6

Rysunek 1 Udziały objętościowe składników spalin silnika

3.3 Metody redukcji NO

x

3.3.1

Reaktor katalityczny

3.3.1.1 Działanie

Wewnątrz urządzenia znajdują się substancje chemiczne, które powodują przyspieszenie

reakcji wewnątrz samych spalin w samochodzie. W rezultacie powstają substancje, które są

mniej uciążliwe dla środowiska. Aby osiągnąć jak najlepsze działanie, stosuje się sondy

lambda ( czujnik mierzący zawartość tlenu w spalinach), które dostarczają silnikowi danych o

ilości i jakości spalin.

3.3.1.2 Rodzaje

Zastosowanie konkretnego rodzaju tego urządzenia jest różne, w zależności od zapłonu

silnika.

Przy silnikach o zapłonie samoczynnym stosowane są reaktory utleniające, które powodują

utlenienie związków węglowodorów i dwutlenków węgla. Jednoczesna redukcja NOx jest w

tym przypadku niemożliwa ze względu na fakt pracy tych silników na mieszankach ubogich.

Przy silnikach o zapłonie iskrowym najczęściej stosuje się reaktory trójfunkcyjne TWC (od

ang. Three Way Catalyst), które redukują tlenki azotu i jednocześnie utleniają węglowodory

i tlenek węgla.

7

Katalizator redukcyjny – zmniejsza on w spalinach zawartość tylko tlenków azotu NO

x

.

Nazwa redukujący, pochodzi od tego, że owo zmniejszenie następuje w skutek reakcji

redukcji NO

x

na składniki podstawowe czyli O

2

i N

2

. Katalizatorów o takim działaniu nie

stosuje się pojedynczo, wchodzą one w skład katalizatorów trójfunkcyjnych.

3.3.2

Technologia Adblue

Adblue jest to roztwór mocznika redukujący szkodliwe emisje poprzez reakcję chemiczną.

Reakcja ta następuje kiedy AdBlue jest wtryskiwane w spaliny znajdujące sie wewnątrz

katalizatora silnika diesela. Spaliny zawierają tlenki azotu, które są główną przyczyną

zanieczyszczenia powietrza. AdBlue jest stosowane specjalnie dla zmniejszenia emisji tych

zanieczyszczeń. AdBlue zawiera mocznik, który w momencie kiedy wtryskiwany jest do

układu wydechowego pojazdu, pod wpływem wysokiej temperatury, wytwarza amoniak, co

wywołuje reakcję chemiczną, która przekształca szkodliwe tlenki azotu w nieszkodliwy azot

(N) i wodę (H2O).

3.4 Normy emisji EURO

Regulacje w zakresie dozwolonych limitów emisji szkodliwych substancji takich jak tlenki

azotu (NOx), cząsteczki stałe (PM), węglowodór (HC) oraz tlenki węgla (CO), występujących

w większości pojazdów mechanicznych sprzedawanych na terenie UE, są nakładane przez

Unię Europejską i zwane normami EURO.

Tabela 2 Dopuszczalne wartości emisji spalin w poszczególnych normach EURO dla pojazdów z silnikiem

benzynowym

[g/km]

EURO 1

EURO 2

EURO 3

EURO 4

EURO 5

EURO 6

CO

2,72

2,2

2,3

1

1

1

HC

-

-

0,2

0,1

0,2

0,1

NO

x

-

-

0,15

0,08

0,06

0,06

HC+NO

x

0,97

0,5

-

-

-

-

PM

-

-

-

-

0,005

0,005

8

Tabela 3 Dopuszczalne wartości emisji spalin w poszczególnych normach EURO dla pojazdów z silnikiem

wysokoprężnym

4 Silnik elektryczny

W przeciwieństwie do napędu konwencjonalnego lub hybrydowego, samochód elektryczny

nie potrzebuje w ogóle silnika spalinowego. Dlatego nie emituje szkodliwych substancji do

atmosfery. Jest również bardziej efektywny i ma niższy poziom hałasu. Zasięg samochodów

elektrycznych jest zdeterminowany pojemnością baterii.

Sercem samochodu elektrycznego jest bateria litowo – jonowa. Żadna inna bateria nie jest w

stanie przechowywać takiej ilości energii. Już dzisiaj zgromadzona energia pozwala pokonać

odległości, które odpowiadają średnim dystansom pokonywanym w ruchu miejskim.

Układ hamulcowy

Układ hamulcowy w samochodzie elektrycznym jest zbudowany tak, że odzyskuje energię

powstającą w wyniku hamowania, zwalniania, zjazdów z góry („hamowania silnikiem”) i

swobodnego wytracania prędkości do zera („dotaczania się do świateł”), doładowując nią

akumulatory. To zapewnia wydłużenie zasięgu o dodatkowe kilometry, szczególnie w ruchu

miejskim, gdzie hamowanie jest bardzo częste.

Ładowanie

Tankowanie pojazdu elektrycznego jest bardzo proste i odbywa się z gniazdka elektrycznego.

Po kilku godzinach podłączenia pojazdu przewodem do prądu, akumulator zostaje całkowicie

naładowany. Będzie też możliwość skrócenie czasu ładowania do poniżej godziny przy

zastosowaniu wysokosprawnych akumulatorów i odpowiednich stacji elektroładowania.

[g/km]

EURO 1

EURO 2

EURO 3

EURO 4

EURO 5

EURO 6

CO

3,16

1

0,64

0,5

0,5

0,5

HC

-

0,2222

0,06

0,05

0,05

0,09

NO

x

-

0,2222

0,5

0,25

0,18

0,08

HC+NO

x

1,13

0,7

0,56

0,3

0,23

0,17

PM

0,14

0,08

0,05

0,009

0,005

0,005

9

5 Silnik hybrydowy

5.1 Ogólna charakterystyka

Układ hybrydowy jest to układ, w którym współdziałają dwa różne źródła energii lub ogólniej

różne źródła napędu. Jest to najczęściej połączenie silnika spalinowego i elektrycznego.

Obecność napędu elektrycznego ma na celu albo zmniejszenie zużycia paliwa albo

zwiększenie mocy samochodu.

5.2

Rodzaje napędów hybrydowych

Ze względu na konfigurację elementów napędzających wyróżnia się następujące układy

hybrydowe:



Szeregowe- w takim układzie energia wytwarzana przez silnik spalinowy jest w

całości przetworzona na energie elektryczną do napędu silnika elektrycznego, a jej

nadmiar do ładowania akumulatorów. W razie potrzeby silnik elektryczny może

również korzystać z energii elektrycznej zgromadzonej w akumulatorach.



Równoległe- silnik spalinowy i elektryczny są połączone mechanicznie z kołami

napędowymi. Samochód może być napędzany tylko silnikiem spalinowym, tylko

elektrycznym lub oboma równocześnie.



Szeregowo-równoległe- jest to kombinacja układu szeregowego i równoległego. W

tym układzie zastosowano dwa silniki, których używa się zależnie od warunków

jazdy. W takich hybrydach to kierowca lub komputer decyduje, w jakim trybie w

danym momencie ma pracować układ.

6 Ogniwa paliwowe

6.1 Ogólna charakterystyka ogniw paliwowych

Ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z

zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych (akumulatory, baterie) ogniwa

paliwowe nie muszą być wcześniej ładowane. Wystarczy tylko doprowadzić do nich paliwo.

W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może być procesem trwającym wiele godzin, a

ogniwa paliwowe są gotowe do pracy po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania.

Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej

wykorzystuje wodór na anodzie (elektroda dodatnia) oraz tlen na katodzie (elektroda ujemna).

10

Są to ogniwa wodorowe. Proces produkcji energii nie

zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów. W ogniwach

galwanicznych wytwarzanie prądu opiera się na szeregu reakcji chemicznych, które

doprowadzają do zmiany składu elektrolitów lub elektrod. Aby odwrócić ten proces

konieczne jest długotrwałe ładowanie.

Zaletą ogniw wodorowych jest niewielkie zanieczyszczenie powietrza, które one powodują.

Powstające w nich spaliny składają się wyłącznie z obojętnej dla środowiska pary wodnej.

6.2 Zasada działania ogniwa paliwowego PEM

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które wytwarzają energie użyteczną

(eklektyczność, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Produktem ubocznym

jest woda.

Ogniwa paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane

są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia

przepływy kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów.

Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na

anodzie, a następnie za połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesem

elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem

nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenku powstaje

prąd elektryczny, woda i ciepło.

Paliwo – wodór w stanie czystym w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzany w

sposób ciągły do anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) –

podawany jest w sposób ciągły do katody.

Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub

niesprawność komputerów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.

Rysunek 2 Budowa ogniwa

11

6.3 Zastosowanie ogniw paliwowych w transporcie i komunikacji

Obecnie niemal każda licząca się na rynku firma motoryzacyjna prowadzi zaawansowane

testy pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi. Obecnie opłacalność pojazdu FCV (Fuel

Cell Vehicle), dorównuje współczesnym hybrydom.

Zalety ogniw paliwowych jako napędu środków transportu to: wysoka sprawność (65% dla

ogniwa paliwowego w porównaniu z 35% dla silnika. Brak wibracji i hałasu towarzyszącego

wytwarzaniu energii, produkcja energii bezpośrednio napędzającej silniki elektryczne, brak

spalania paliwa w czasie postoju, stałość momentu obrotowego.

Obecnie głównie problemem w komercjalizacji samochodów FCV jest ich wysoka cena.

Technologie ogniw paliwowych objęły także pozostałe segmenty środków transportu, jednak

nie jest to tak zauważalne, jak w przypadku samochodów. Istnieją już bezzałogowe czerpiące

energię z wykorzystaniem tej technologii.

6.4 Wpływ na środowisko

Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody uzyskiwania

stosowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być używane jako pierwotne źródło

energii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. Chociaż wytwarzanie

wodoru w procesie elektrolizy ma dość dużą sprawność, to w połączeniu z tym, że przy

stosowaniu w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod dużymi ciśnieniami,

to całkowita sprawność ogniw obecnie jest znacznie niższa i w przyszłości może nie

przekroczyć poziomu najwydajniejszych z silników spalinowych.

Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie reformingu

parowego, który ma sprawność około 80%. Produktem ubocznym tego procesu jest dwutlenek

węgla, jednak szkodliwość dla środowiska jest ograniczona, gdyż w przeciwieństwie do

silników spalinowych dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez każdy pojazd,

lecz powstaje w miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu można go wykorzystać.

12

7 Podsumowanie

Rodzaj

napędu

Wady i zalety użytkowe

Wady i zalety dla środowiska

Silnik

spalinowy

-wysoka cena

paliwa

-konieczność

wymiany oleju

-głośna praca silnika

+niższe ceny

samochodów

+duży wybór

modeli

+wysokie osiągi

+duża dostępność

serwisów

-bardzo wysoka emisja

szkodliwych związków

-paliwo wytwarzane

jest z nieodnawialnych

zasobów

-emitują duży hałas

Ogniwo

paliwowe

(PEM)

-wysoki koszt

materiałów

(platynowy

katalizator)

-mniejsza

wydajność w

porównaniu do

silników

spalinowych

+duża

niezawodność

(brak części

ruchomych)

+może być zasilane

każdym paliwem

bogatym w wodór

+niewielkie

rozmiary, lekkie

+brak wibracji oraz

hałasu podczas

zachodzących

reakcji

+śladowa ilość

produkowanych

zanieczyszczeń

+ogniwa paliwowe podczas

reakcji nie wytwarzają

hałasu

Silnik

elektryczny

-po włączeniu

ogrzewania dystans

jaki samochód może

przejechać znacznie

spada

-mniejszy bagażnik i

ładowność (ciężkie

akumulatory)

-samochody

elektryczne między

innymi ze względu

+cichy podczas

pracy

+napęd elektryczny

jest w stanie

odzyskać część

utraconej energii

podczas

hamowania

+mniejsze wydatki

związane z

eksploatacją

-trudności w utylizacji

akumulatorów

+nie wytwarzają

zanieczyszczeń

+do pracy wykorzystują

energię odnawialną

13

na małoseryjną

produkcję i wysokie

ceny akumulatorów

są znacznie droższe

od spalinowych

-niewielka

pojemność

akumulatorów

wymusza ich częste

ładowanie

samochodu

Silnik

hybrydowy

-wysoka cena

samochodu

-potrzeba

wygospodarowania

przestrzeni na

akumulatory co

zmniejsza

przestrzeń

użyteczną

-deficyt

wyspecjalizowanych

serwisów

+spalanie paliwa o

50% niższe niż w

normalnych

samochodach

+mniejszy hałas

emitowany przez

samochód

-trudności w utylizacji

akumulatorów

+wytwarza o połowę mniej

zanieczyszczeń w stosunku

do silnika spalinowego

+mniejsza emisja hałasu

niż w silnikach

spalinowych

14

8 Literatura

Bibliografia:

1. Konieczyński J., 2004: Ochrona powietrza przed szkodliwymi gazami.

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.

2. Mazur M.,2004: Systemy Ochrony Powietrza. Uczelniane Wydawnictwo N-D,

Kraków.

3. Michałowski K., Ocioszyński J.,1989: Pojazdy samochodowe o napędzie

elektrycznym i hybrydowym. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,

Warszawa.

4. Rokosch U.,2007: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy

diagnostyczne samochodów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,

Warszawa.

5. Woś P., 2008: Wpływ przebiegu wtrysku paliwa w silniku wysokoprężnym na

spalanie i emisję NO

x

. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej,

Rzeszów.

Linkografia:

1. Strona grupy energetycznej RWE

https://www.rwe.pl/web/cms/pl/996310/start/wszystko-o-rwe/e-mobility/

2. Strona poświęcona ogniwom paliwowym

http://www.ogniwa-paliwowe.com/

3. Magazyn motoryzacyjny

http://www.magazyn-motoryzacyjny.pl/samochody-hybrydowe.html