Ρύποι – Νομοθεσία, Προκλήσεις και Προοπτικές

Εισαγωγή

Euro 5, Euro 6, Euro 6b, Tier 2 Bin 5/ULEV II. Προδιαγραφές για την πιστοποίηση των οχημάτων όσον αφορά την εκπομπή ρύπων σε Ευρώπη και Ηνωμένες Πολιτείες. Προδιαγραφές που κάθε νέο όχημα θα πρέπει να καλύπτει για να πωληθεί στις περιοχές αυτές. Πόσο όμως οι εκπομπές που ορίζονται βάση ενός συγκεκριμένου πρωτοκόλλου σχετίζονται με τις πραγματικές εκπομπές στο δρόμο; Πόσο επηρεάζονται οι εκπομπές από τις πραγματικές/καθημερινές συνθήκες κίνησης, τον τρόπο οδήγησης, τις συνθήκες κίνησης; Ποιες οι διαφορές μεταξύ Ευρώπης και Αμερικής; Ερωτήματα για τα οποία θα προσπαθήσουμε να προσφέρουμε απαντήσεις σε μία σειρά άρθρων που θα ακολουθήσουν.

Προδιαγραφές ρύπων Euro 6

Η προδιαγραφή Euro 6, τέθηκε σε ισχύ από την 1^η Σεπτεμβρίου του 2014. Από την 1^η Σεπτεμβρίου 2015, όλα τα οχήματα που θα πωλούνται στην Ευρωπαϊκή Ένωση θα πρέπει να πληρούν τη προδιαγραφή αυτή. Οι μέγιστες εκπομπές ρύπων και σωματιδίων για κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου συνοψίζονται στον Πίν. 1. Ως εκπομπές NO_X ορίζεται το άθροισμα των εκπομπών του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) και του διοξειδίου του αζώτου (ΝΟ₂).

Πίν. 1: Μέγιστες εκπομπές ρύπων κατά Euro 6. Όλες οι τιμές σε gr/km πλην της τελευταίας τιμής που αφορά πλήθος/km. ¹CO=Μονοξείδιο του Άνθρακα, ²THC=Συνολικοί ‘Άκαυστοι Υδρογονάνθρακες, ³NMHC=Άκαυστοι Υδρογονάνθρακες πλην Μεθανίου, ⁴NO_X=Οξείδια του Αζώτου, ⁵HC+NOx= Άκαυστοι Υδρογονάνθρακες και Οξείδια του Αζώτου, ⁶PM=Σωματίδια, ⁷PN=Μέγιστο πλήθος Σωματιδίων, ΔΕΕ=Δεν έχει Εφαρμογή (πηγή ΕΚ/459/2012)

Το μέγιστο πλήθος σωματιδίων ορίστηκε σε μεταγενέστερο χρόνο από την έκδοση της αρχικής οδηγίας EK/715/2007 με την οδηγία ΕΚ/459/2012. Ο έλεγχος για σωματίδια στους κινητήρες βενζίνης αφορά και μόνον κινητήρες με άμεσο ψεκασμό (απευθείας έκχυση). Για αυτούς, ορίζεται περίοδος προσαρμογής 3 ετών κατά την οποία το μέγιστο πλήθος των σωματιδίων ορίζεται σε 6.0*10¹² σωματίδια ανά χιλιόμετρο. Οι τιμές των ρύπων σε σχέση με το προηγούμενο πρότυπο (Euro 5a, Euro 5b) διαφοροποιούνται ως:

1. μείωση εκπομπών NO_X από 0.180gr/km σε 0.080gr/km (κινητήρες πετρελαίου)
2. μείωση εκπομπών HC+NO_Χ από 0.230gr/km σε 0.170gr/km (κινητήρες πετρελαίου)
3. μείωση εκπομπών PM από 0.050gr/km (σε σχέση με την προδιαγραφή Euro 5a) σε 0.045gr/km (όλοι οι κινητήρες). Η μείωση αυτή ισχύει για τα επιβατικά οχήματα από την προδιαγραφή Euro 5b/b+ και με την εφαρμογή της προδιαγραφής Euro 6 επεκτείνεται σε όλες τις κατηγορίες οχημάτων για τους κινητήρες πετρελαίου.

Με το πρότυπο Euro 6, οι απαιτήσεις σε εκπομπές ρύπων των κινητήρων πετρελαίου με αυτές των κινητήρων βενζίνης παύουν ουσιαστικά να διαφέρουν για τα τυπικά επιβατικά οχήματα. Αθροίζοντας τις εκπομπές THC με τις εκπομπές NO_X στους βενζινοκινητήρες βλέπουμε μέγιστη αποδεκτή τιμή 0.160gr/km που δεν διαφέρει ουσιαστικά από τα 0.170gr/km των πετρελαιοκινητήρων.

Ανάλυση – Ιστορικό

Οι πρώτες κανονιστικές διατάξεις για τον έλεγχο των ρύπων στην Ευρώπη ξεκινούν να εφαρμόζονται το 1970 με την οδηγία 70/220/EEC. Το ίδιο έτος στην αντίπερα όχθη του Ατλαντικού (ΗΠΑ) το Κογκρέσο των ΗΠΑ επικυρώνει το Clean Air Act. Στο σημείο αυτό θα εστιάσουμε περισσότερο στις εκπομπές NO_X . Στην Εικ. 1 και Εικ. 2, παρουσιάζονται οι οριακές τιμές εκπομπής NO_X για κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου των Ευρωπαϊκών και Αμερικανικών προδιαγραφών εκπομπών ρύπων (πηγή DELPHI).

Εικ. 1: Μέγιστες εκπομπές NOX. Ευρωπαϊκός κύκλος. Τιμές σε gr/km.

Εικ. 2: Μέγιστες εκπομπές NOX. Αμερικανικός κύκλος. Τιμές σε gr/km.

Παρατηρούμε ότι στης ΗΠΑ, δεν υπάρχει διαφοροποίηση στις εκπομπές NO_X μεταξύ των κινητήρων βενζίνης και πετρελαίου. Κάτι που τυπικά ισχύει ακόμα στην Ευρώπη. Στης ΗΠΑ, όσον αφορά τις εκπομπές NO_X, ακολουθείται μία διαφορετική πολιτική. Το πρότυπο Tier ΙΙ, που ισχύει αυτή τη στιγμή, αποτελείται από 8 Bins (υπό-κατηγορίες (καλάθια) εκπομπών). Ο στόλος των οχημάτων, με συνολικό βάρος κάτω των 6000lbs (περίπου 2700kgr), θα πρέπει να έχει εκπομπές που δεν υπερβαίνουν τα 0.044gr/km (0.07gr/mile). Η μέση εκπομπή των οχημάτων που πωλούνται ανά έτος υπολογίζεται ως ένας σταθμισμένος μέσος όρος των πωλήσεων για κάθε κατασκευαστή. Αυτό επιτρέπει στις εταιρείες να κατηγοριοποιούν τα οχήματα τους σε διαφορετικές υπό-κατηγορίες εκπομπών, ανάλογα και του τύπου του κινητήρα τους. Το πρότυπο Tier II θα αντικατασταθεί το 2017 από το πρότυπο Tier III. Στόχος του νέου προτύπου είναι ως το 2030, για ένα μέσο ετήσιο κόστος της τάξης του 1,5 δις $, τα οφέλη για τη δημοσία Υγεία να κυμαίνονται από 6 ως και 17 δις $.

Προκλήσεις και Προοπτικές

Επιστρέφοντας στην Ευρώπη, κάποιος μπορεί να αναρωτηθεί γιατί υπάρχουν διαφορές στις απαιτήσεις εκπομπών των κινητήρων βενζίνης και πετρελαίου; Και ειδικότερα όσον αφορά τα οξείδια του αζώτου (NO_X); Γιατί η Ευρωπαϊκή Ένωση να θεσπίζει διαφορετικούς κανόνες για τους δύο τύπους κινητήρων;
Η απάντηση στην δεύτερη ερώτηση θα γίνει ελπίζουμε αντιληπτή στο μέσο αναγνώστη με το τέλος της σειράς των άρθρων. Η απάντηση στην πρώτη ερώτηση σχετίζεται με τον τρόπο λειτουργίας των κινητήρων πετρελαίου σε σχέση με τους κινητήρες βενζίνης. Οι κινητήρες βενζίνης (κινητήρες επιβαλλόμενης ανάφλεξης) λειτουργούν με στοιχειομετρικό μείγμα (αναλογία αέρα/καυσίμου 14.7/1 κατά βάρος). Αντίθετα, οι κινητήρες πετρελαίου (ανάφλεξη με συμπίεση) λειτουργούν με «φτωχό» μείγμα. Ως «φτωχό» μείγμα ορίζεται το μείγμα όπου υπάρχει περίσσεια αέρα. Για το πετρέλαιο το στοιχειομετρικό μείγμα έχει αναλογία αέρα/καυσίμου 14.6/1 κατά βάρος. Η αναλογία αέρα προς καύσιμο σε έναν κινητήρα πετρελαίου συνήθως κυμαίνεται από 70:1 ως και 18:1 ή χαμηλότερα. Η λειτουργία με «φτωχό» μείγμα προκαλεί την ελαχιστοποίηση του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και των άκαυστων υδρογονανθράκων (HC). Αλλά παράγει μεγάλες ποσότητες οξειδίων του αζώτου (NO_X).
Γιατί δίδεται τόση σημασία στις εκπομπές NO_X στους κινητήρες πετρελαίου; Λόγω των συνεπειών στην Δημόσια Υγεία. Οι εκπομπές NO_X είναι από τις πλέον επιβαρυντικές για το περιβάλλον και τη Δημόσια Υγεία. Προκαλούν: α) φλεγμονές της αναπνευστικής οδού, β) κρίσεις σε άτομα που υποφέρουν από άσθμα, γ) αύξηση των περιστατικών βρογχίτιδας και εμφυσήματος, δ) επιδείνωση της υγείας των καρδιοπαθών με αποτέλεσμα, αύξηση των περιστατικών που χρίζουν νοσηλείας και σε ορισμένες περιπτώσεις πρόωρο θάνατο. Η παρουσία NO_X σε συνδυασμό με θερμότητα και ηλιακή ακτινοβολία παράγει σωματίδια (Particulates – PM) και όζον (Ο₃). Το όζον θεωρείται υπεύθυνο, ειδικά σε άτομα νεαρής ηλικίας, για δυσλειτουργία των πνευμόνων, αύξηση των αναπνευστικών προβλημάτων, αύξηση των περιστατικών που χρίζουν νοσηλείας και πιθανά για πρόωρους θανάτους. Το ΝΟ_Χ είναι ο βασικός υπαίτιος για τη δημιουργία του φωτοχημικού νέφους γνωστού και ως smog.
Ποια είναι τα εργαλεία που έχουν στη διάθεση τους οι αυτοκινητοβιομηχανίες για να ελέγξουν αποτελεσματικά την παραγωγή οξειδίων του αζώτου (NO_X); Οι βασικές τεχνολογίες για την μείωση των εκπομπών NO_X σχετίζονται με: α) στρατηγικές ελέγχου εκπομπών (ECS – Emission Control Strategies) για την αποφυγή δημιουργίας NO_X εντός του χώρου καύσης, πχ. με την καθυστέρηση έκχυσης του καυσίμου εντός του θαλάμου, πολλαπλούς ψεκασμούς κλπ., β) την επανακυκλοφορία των καυσαερίων (EGR – Exhaust Gas Recirculation), γ) τη χρήση παγίδων ΝΟ_Χ (LNT – Lean NO_X Traps) και δ) την επιλεκτική καταλυτική μείωση (SCR – Selective Catalytic Reduction). Στην περίπτωση της επιλεκτικής καταλυτικής μείωσης, η έκχυση στα καυσαέρια χημικού πρόσθετου (Diesel Exhaust Fluid) βοηθά στην κατάλυση του NO_X χωρίς αύξηση της κατανάλωσης όπως στην περίπτωση των παγίδων NO_X. Για κινητήρες ως και 2.0 λίτρα θεωρείται ως προτιμότερη λύση η χρήση παγίδων NO_X (LNT). Για μεγαλύτερες χωρητικότητες επιλέγεται η επιλεκτική καταλυτική μείωση (SCR).

Επίλογος 1^ου Μέρους

Στο άρθρο αυτό, παρουσιάστηκε η ισχύουσα Νομοθεσία, σε Ευρώπη και ΗΠΑ και σκιαγραφήθηκαν οι τεχνολογικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι αυτοκινητοβιομηχανίες για τον έλεγχο των ρύπων στα επιβατικά οχήματα. Στο δεύτερο μέρος θα εστιάσουμε στο πόσο αποτελεσματικά εφαρμόζεται η ισχύουσα Νομοθεσία.