Nízké emise NOX dieselových motorů na dohled

Americký stát New Jersey, spojený se životem a vynálezy Thomase A. Edisona v Menlo Parku, dnešním Edisonu, udělil cenu 2010 Thomas Alva Edison Patent Award za nejlepší patent roku původcům patentu amerického závodu BASF Catalysts na Cu-zeolitový SCR katalyzátor redukce emisí NOX z dieselových motorů.

Předmětem oceněného patentu US 7601662 je nový SCR (Selective Catalyst Reduction) selektivní katalyzátor redukce emisí oxidů dusíku výfuků vznětových motorů přeměnou na dusík a vodní páru, jehož základem je zeolit - měďnatý chabazit (Cu-chabazit), syntetický, v přírodě se nevyskytující minerál. Katalyzátor pak z Cu-chabazitu vzniká impregnací nosiče, keramického monolitu v trubce ze žáruvzdorné oceli, jímž prochází výfukové plyny z motoru. Katalyzátor SCR získal o rok dříve také velmi prestižní cenu 2009 Frost & Sullivan Product of the Year Award jako americký výrobek roku.
Původní podoba stále více užívané a zdokonalované technologie SCR byla vyvinuta v roce 1957 firmou Engelhard Corp., vynálezcem prvních automobilových katalyzátorů, z níž se v roce 2006 stala BASF Catalyst. Katalyzátor s technologií SCR použila jako první automobilka Ford v roce 1972.
SCR technologie odstraňování NOX z výfukových plynů vstřikuje do katalyzátoru čpavek nebo močovinu (jako AdBlue, což je 32,5% vodný roztok, teplem uvolňující čpavek). Katalytickou reakcí čpavku s oxidy NO a NO2 se emise NOX mění na dusík a vodní páru. Nejprve byla použita pro energetická zařízení a stacionární motory. Po překonání problémů, spojených s integrací vstřikovacího zařízení do automobilních motorů, včetně korozních, o 3 až 8 % vyšší cenou motoru a spotřebou močoviny cca 1 % obj. k palivu, byla převzata do mobilních katalyzátorů.

Ocenění patří deseti spoluvynálezcům

Původci vynálezu jsou Ivor Bull z BASF Catalysts v Německu, Wen-mei Xue a 8 spolupracovníků z BASF Catalysts v USA. Americký patent US 7601662 a další chrání vynález Cu-zeolitového SCR katalyzátoru, jeho složení, způsob výroby a použití při odstraňování emisí NOX ze spalin vznětových motorů s 90% účinností, přičemž nejvyšší účinnosti dosahuje mezi 250 až 450 °C. Cu-zeolit se vyznačuje vyšší životností a hydrotermální stabilitou mezi 200 až 900 °C na keramickém TiO2 nosiči, operační pružností při provozu a lepší ekonomikou proti stávajícím. Výroba katalyzátorů se rozběhla před vydáním patentu 13. 10. 2009, aby zákazníci vyhověli novému předpisu 2010 U.S. Highway Rule od prvního dne platnosti 1. 1. 2010.
Je určen k plnění přísných limitů EPA pro emise NOX max. 0,2 g NOX/hp.h (metricky 0,27 g NOX/kWh) vznětových motorů silničních nákladních vozidel a autobusů hmotnosti nad 8500 lbs (3860 kg); v Kalifornii nad 14 000 lbs (6356 kg).
Katalyzátor dle vynálezu se vyrábí v závodě BASF Catalysts v Huntsville, Alabama, kde se od založení v roce 1974 vyrobilo již 300 milionů automobilových katalyzátorů.
Začátkem ledna oznámil BASF, že jeho nový výrobní závod na mobilní katalyzátory v Krasnogorsku u Moskvy získal certifikát jakosti ISO 16949. Vzhledem k velikosti východních trhů a ke zpřísněným opatřením na ochranu životního prostředí v Rusku tak není výroba nového SCR katalyzátoru vyloučena ani tam.

Co jsou zeolity?

Zeolity tvoří skupinu asi 40 minerálů - hlinitokřemičitanů sodíku, draslíku, vápníku, hořčíku, barya aj. Přes zeolitový iontoměnič vede také jedna cesta výroby Cu-chabazitu, náhradou části kationtů Ca2+ kationty mědi Cu2+ z chloridu měďnatého. Chabazit je složitý zeolit, jehož chemické složení se nejčastěji udává jako hydratovaný hlinitokřemičitan vápenatý a triviálně zapisuje Ca [Al2Si4O12].6H2O nebo CaO.Al2O3.4SiO2.6H2O. Vyskytuje se ve vyvřelinách na mnoha místech na světě a také v Česku na Českolipsku, Ústecku a Děčínsku jako bezbarvé, šedé až červenavé krystaly. Setkáváme se s ním v bezfosfátových pracích prášcích, detergentech, adsorbentech a iontoměničích k měkčení vody. Umí odstranit radioaktivní cesium 137 a stroncium 90 z vod a zachytit čpavek, stříbro, měď nebo kobalt z roztoků.

SCR technologie v úpravě Delphi...

V červenci 2010 oznámil Delphi Automotive, největší světový automobilový subdodavatel, úpravu SCR technologie vstřikováním močoviny až 4krát vyšším tlakem 2 MPa dávkovacím modulem UDM (Urea Delivery Module) podle patentu US 7707825 ze 4. 5. 2010, jehož původci jsou Philip Dingle a Joachim Kupe. Předností úpravy je zjednodušená kompaktní konstrukce, přesné dávkování solenoidovým vysokotlakým čerpadlem a přesunutí vlastního katalyzátoru blíže motoru.
Uložení UDM s nízkotlakým čerpadlem na močovinu v nádrži močoviny dále od motoru umožňuje snadnější tankování AdBlue a přispívá k vyšší životnosti systému nižším tepelným namáháním než v teplém motorovém prostoru. Ke kontrole zbytkového čpavku ve výfukových plynech za SCR katalyzátorem vyvinul Delphi čpavkovou sondu, měřící v rozsahu 0-100 ppm NH3 při teplotách 200-450 °C.
Dnes se dodává úprava 12 V nebo 24 V pro osobní vozy a lehké nákladní vozy; pro těžké vozy přijde na trh v průběhu roku 2012. Životnost systému včetně topného modulu je 350 tis. km nebo 15 let. V budoucnosti umožní splnění emisního limitu NOX 80 mg/km dle EURO 6 u nových nákladních vozů se vznětovým motorem, platného od 1. 9. 2014.

...a v úpravě Johnson Matthey
S měďnatým zeolitem pracuje i SCRT technologie britské firmy Johnson Matthey, předního světového zpracovatele drahých kovů a výrobce katalyzátorů, jež nabízí pro vozy výroby 1994-2002 retrofit systémem Eminox i s prachovým filtrem, snižujícím emise NOX o 70 % a HC, CO a PM10 na limity EURO 4. Úprava retrofitu na modernější systém SCRT se dokončuje; v roce 2011 dosáhne splnění amerického limitu NOX max. 0,20 g/hp.h, resp. 0,27 g/kWh, a bude v prodeji v roce 2012.

Přísnost limitů se zhodnocuje v lepším zdraví

Agentura EPA uvádí, že současné emise NOX ze 13 milionů nákladních vozů a autobusů se vznětovými motory v USA, odhadované na 2,6 mil. t NOX ročně, se budou každým rokem snižovat do roku 2030, kdy budou všechna dnes připuštěná vozidla vyřazena z provozu. V USA se podporuje snižování emisí programem Diesel Emmissions Reduction Act (DERA), avšak nestejnou částkou podle států. Ve finančním vyjádření náklady 2 mld. USD/rok na snížení všech emisí a úpravy motorů každoročně ušetří škody na životním prostředí za 4 mld. USD a škody na zdraví za 70 mld. USD prevencí mj. 8300 případů předčasného úmrtí, 5500 chronických bronchitid, 17 600 akutních bronchitid u dětí, 360 tis. astmatických záchvatů a ztráty 1,5 mil. prac. dnů.

Odlišnost předpisů USA a EU
Přípustné emise NOX dle předpisu EURO 5, platného od 1. 1. 2011 pro všechny nové vozy se vznětovým motorem, jsou v EU stanoveny odlišným způsobem než v USA, hodnotou 180 mg/km (asi 2 g/kWh), sníženou proti hodnotě 250 mg/km dle EURO 4. Americké limity pro vznětové motory těžkých nákladních vozů a autobusů jsou stanoveny na základě testování výkonu motoru. S postupným uváděním SCR technologie lze očekávat výrazné snížení emisí NOX u kamionů po roce 2012 a po zavedení limitů EURO 5 v roce 2014.