• Descripción del sistema
• Potencial de reducción de emisiones
• Confiabilidad técnica
• Consideraciones de costos
• Experiencias y penetración de mercado
• Desafíos

Los camiones a diesel convencional producen significativas cantidades de emisiones contaminantes - especialmente material particulado (MP) y óxidos de nitrógeno (NOx) - que causan deterioramiento de la calidad del aire. Para reducir estas emisiones existe una variedad de diferentes tecnologías de control de emisiones disponibles. Estas pueden aplicarse a camiones nuevos, así como también a camiones que ya estén en uso, lo que se llama modificación.

Las más importantes de estas tecnologías están mencionadas más abajo:

Catalizadores de Oxidación Diesel (DOCs) "transforman los contaminantes en gases no dañinos por medio de la oxidación" ( 1 ); ver también ( 2 ).

En la mayoría de las aplicaciones, un catalizador de oxidación de diesel es en una cajita de acero inoxidable que contiene una estructura de panal de abejas llamada un substrato o apoyo del catalizador. No hay partes móviles, sólo grandes cantidades de superficie interior cubiertas con metales catalíticos como el platino o el paladio. En el caso del escape diesel, el catalizador oxida monóxido de carbono (CO), hidrocarburos gaseosos (HCs) y los hidrocarburos líquidos adsorbidos sobre las partículas de carbono, que uno llama la fracción orgánica soluble (SOF). Los catalizadores de oxidación diesel son eficientes en convertir la fracción orgánica soluble del material particulado diesel en dióxido de carbono y agua.

Los catalizadores de oxidación han probado ser efectivos en reducir emisiones de particulado y de humo en los vehículos más antiguos. Bajo el programa de reconstrucción / modificación de buses urbanos de la U.S. EPA, varios fabricantes han certificado que los catalizadores de oxidación de diesel proveen al menos un 25% de reducción en la emisión de MP para los camiones urbanos en uso. Los datos de certificación también indican que los catalizadores de oxidación logran reducciones sustanciales en emisiones de CO y HC.

Combinar un catalizador de oxidación con técnicas de manejo del motor pueden usarse para reducir las emisiones NOx de los motores diesel, ajustando el motor a bajas emisiones de NOx. Mientras que esto es típicamente acompañado por mayores CO, HC y emisiones de particulado, el catalizador de oxidación puede entonces agregarse para contrabalancear estos incrementos, bajando las emisiones de todos los contaminantes.

El contenido de azufre del combustible es un factor determinante de la efectividad de la tecnología del catalizador de oxidación porque estos mismos catalizadores pueden también oxidar dióxido de azufre para formar sulfatos, lo cual se cuenta como parte del particulado. Este dióxido de azufre a reacción de sulfato depende no solamente del nivel de azufre en el combustible, sino también de la temperatura de los gases de escape. Algunas formulaciones de catalizadores han sido desarrolladas que selectivamente oxidan el SOF mientras que minimizan la oxidación del dióxido de azufre; sin embargo, a menor contenido de azufre del combustible, mayor es la oportunidad para maximizar la efectividad de la tecnología del catalizador de oxidación para un mejor control total del MP y un mayor control de los HCS tóxicos. Combustible con azufre más bajo (0,05% wt.), que se introdujo en 1993 en todo los EE UU y a mediados de los 90 en la UE, ha facilitado la aplicación de tecnologías de catalizadores a los vehículos propulsados con diesel. Además, el bajísimo contenido de azufre en el combustible (<0,005% wt.) disponible en varios países europeos y más recientemente en EE UU, ha aumentado el rendimiento del catalizador aún más.

Filtros particulados de diesel (DPFs) reducen el material particulado al filtrarlo mecánicamente del flujo de escape ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ). Los DPFs también pueden combinarse con catalizadores de oxidación ( 2 ) ( w1 ).

Debido a que las partículas filtradas por otra parte se acumularían y taponearían el filtro, sistemas de filtros exitosos deben proporcionar una forma de quemar, llamada regeneración, o, de lo contrario, de remover las partículas capturadas.

Una variedad de materiales de filtro se han usado en filtros de particulados diesel que incluyen: materiales cerámicos y cárbidos de silicios, cartuchos de fibra enrollada, bobinas de fibras de silicios tejidas, espuma cerámica, tela metálica, sustratos de metal aglomerados, y, en el caso de los filtros descartables, papel resistente a las temperaturas. La eficiencia del filtro ha sido rara vez un problema con los materiales del filtro mencionados arriba, pero el trabajo se ha continuado para: 1) optimizar la eficiencia del filtro y minimizar la retropresión, 2) mejorar el flujo radial de oxidación en el filtro durante la regeneración, y 3) mejorar la fuerza mecánica de los diseños de filtro.

Muchas técnicas pueden y están siendo usadas para regenerar un filtro de particulado diesel. Algunas de estas técnicas se usan en conjunto en el mismo sistema de filtro para lograr una eficiente regeneración. Existen sistemas de regeneración a bordo y fuera de borda. Las mayores técnicas de regeneración se mencionan abajo.

• La regeneración basada en el catalizador que usa un catalizador de oxidación aplicado a las superficies del filtro. Una base o capa de metal precioso aplicada a la superficie del filtro reduce la temperatura de ignición necesaria para oxidar el material particulado acumulado.
• La regeneración basada en catalizadores que usa un catalizador de oxidación de flujo contra corriente. En esta técnica, un catalizador de oxidación se pone a contracorriente del filtro para facilitar la oxidación del óxido nítrico (NO) hacia dióxido de nitrógeno (NO2). El dióxido de nitrógeno adsorbe el particulado almacenado, reduciendo sustancialmente la temperatura requerida para regenerar el filtro.
• Catalizadores combustible-llevados. Reducen la temperatura requerida para la ignición de material particulado atrapado. (Un sistema basado en cerio se utiliza en la producción de vehículos de carga liviana en Europa.)
• Toma de aire con obturación. Obturar la toma de aire para uno o más cilindros del motor puede aumentar la temperatura de escape y facilitar la regeneración del filtro.
• Inyección de combustible post - punto - muerto - superior (TDC). Inyectar pequeñas cantidades de combustible en los cilíndros de un motor diesel después de que los pistones hayan alcanzado TDC, introduce una cantidad pequeña de combustible no quemado en los gases de escape del motor. Este combustible no quemado puede ser oxidado en el filtro del particulado para combustionar el material particulado acumulado.
• Quemadores de combustible a bordo o calentadores eléctricos. Quemadores de combustible o calentadores eléctricos a contra corriente del filtro pueden proporcionar suficientes temperaturas de escape para encender el acumulado y para regenerar el filtro.
• Calentadores eléctricos fuera de borda. Estaciones de regeneración fuera de borda combustionan el material particulado atrapado por medio de inyectar aire caliente a través del sistema del filtro.

En algunas aplicaciones no carreteras, se han usado sistemas de filtro descartables . Un filtro descartable se mide para atrapar particulado para un turno de trabajo u otro período de tiempo predeterminado. Después de una cantidad de tiempo prescrita o cuando los límites de retropresión están cerca, se saca el filtro y se limpia o se descarta.

Para asegurarse una operación apropiada, los sistemas de filtros son diseñados para un vehículo en particular y la aplicación del vehículo, tomando especial consideración el ciclo total de tarea y el perfil de la temperatura de escape.

La instalación del sistema del filtro sobre un vehículo puede causar una pequeña penalización de economía de combustible por la retropresión aumentada del sistema de filtro. También esos métodos de regeneración de filtros involucran el uso de quemadores de combustibles que aumentarán la penalización de economía del combustible.

El azufre en el combustible diesel afecta significativamente la confiabilidad, durabilidad, y rendimiento de emisiones de filtros de particulados de diesel basados en el catalizador. El azufre afecta el rendimiento del filtro al inhibir el rendimiento de los materiales catalíticos a contra corriente del o sobre el filtro. El azufre también compite con reacciones químicas que pretenden reducir las emisiones de contaminantes y crea material particulado a través de la formación de sulfatos catalíticos. La tecnología de filtro de particulado diesel basado en el catalizador funciona mejor cuando los niveles de azufre del combustible son menos de 0,0015% wt. En general, a menos azufre en el combustible, mejor rendimiento de la tecnología.

La tecnología de filtro de particulado puede ser usada exitosamente en aplicaciones donde el nivel de azufre del combustible sea mayor a 0,0015 wt., pero sólo después de que se haya hecho una cuidadosa evaluación del nivel de azufre del combustible, el motor, el tipo de sistema de filtro, las condiciones de operación y reducciones de emisiones deseadas.

Los sistemas de reducción catalítica selectivos (SCR) convierten el NOx en nitrógeno y otros gases a través de la adición de un reductante al flujo de escapes ( 3 ).

Un sistema SCR utiliza un catalizador metálico y un reagente químico (o reductante), generalmente una solución urea acuosa en aplicaciones de fuentes móviles, para convertir óxidos de nitrógenos a nitrógeno molecular y oxígeno en el flujo de escape. El reductante se agrega a una tasa calculada de un algoritmo que estima la cantidad de NOx presente en el flujo de escape basada en parámetros del motor, tales como revoluciones por minuto del motor (rpm) y carga. A medida que los gases de escape y el reductante pasan al catalizador SCR, ocurren reacciones químicas que reducen las emisiones de NOx entre 75 y 90 por ciento, las emisiones de HC hasta un 80%, y las emisiones de MP 20 a 30 por ciento. El SCR también reduce el olor característico producido por un motor diesel y humo diesel. Bajo ciertas condiciones, un sistema SCR puede aumentar las emisiones de amoníaco de modo que es típico adicionar un catalizador de oxidación de flujo abajo para minimizar el "desprendimiento de amoníaco". Como todas las tecnologías de control de emisiones basadas en catalizadores, el funcionamiento del SCR es mejorado con el uso de combustible de bajo azufre.

Los adsorbedores de NOx "son materiales que almacenan NOx bajo condiciones pobres y sueltan y reducen catalíticamente los NOx almacenados bajo condiciones ricas" ( w2 ). Esta tecnología está sólo comenzando a entrar al mercado en aplicaciones limitadas y no se considera apropiada para aplicaciones típicas de modificación.

Los sistemas de recirculación de gases de escape (EGR) "funcionan recirculando los gases de escape de vuelta hacia el flujo de toma, el cual enfría el proceso de combustión y, de ahí, reduce la formación de NOx" ( w3 ). Los dos sistemas EGR de baja presión y de alta presión existen, pero el primero es más apropiado para aplicaciones de modificación porque no requiere modificaciones del motor. Sistemas de modificaciones EGR han sido introducidos en Suecia desde principios del 2002.

EGR involucra recircular una porción del escape del motor de vuelta a la toma del cargador, en el caso de los motores turbo cargados, o entradas múltiples, en el caso de los motores aspirados naturalmente. En la mayoría de los sistemas, un interenfriador (intercooler) baja la temperatura de los gases recirculados. Los gases recirculados enfriados, que tienen una mayor capacidad de calor que el aire y contienen menos oxígeno que el aire, disminuyen la temperatura de combustión en el motor y con esto reducen la formación de NOx. Los filtros de particulado diesel son parte integral de cualquier sistema EGR de baja presión, asegurando que grandes cantidades de material particulado no recirculen al motor.

DPFs, DOCs así como también SCR se describen en algún detalle en ( 1 ) ( 4 ) da una introducción concisa. Las tecnologías mencionadas arriba pueden usarse en varias combinaciones entre sí. Todas estas tecnologías, excepto EGR, requieren el uso de diesel de azufre bajo (LSD) para el rendimiento óptimo.

El potencial de los dispositivos de control de emisiones para reducir emisiones contaminantes depende de un número de factores, incluyendo el tipo de tecnología usada, si se usa o no diesel de azufre bajo, y si se efectúan inspección y mantención adecuadas.

EPA da un visión general comprensiva de los potenciales de reducciones de emisiones y otros parámetros, tales como precios, tolerancia de azufre y penalización de combustible para una serie de tecnologías de control de emisiones ( w4 ).

Muchas y diferentes cifras se han citado en la literatura respecto de las reducciones de emisiones que se logran a través de las tecnologías individuales descritas. Algunos importantes ejemplos se encuentran abajo:

Filtros de particulado diesel (DPFs): rango de reducciones de MP entre un 70% hasta sobre 90% ( 2 ) ( 5 ) ( w1 ).

Si los filtros están cubiertos con material catalítico, reducciones sustanciales de HC y CO también ocurrirán.

Catalizadores de Oxidación Diesel (DOCs): tasas de reducción son: MP 20-50%; HC 50-90%; CO 10-90% ( 2 ) ( 5 ) ( w1 ).

Reducción Catalítica Selectiva (SCR): tasas de reducción son: NOx 60-90%; MP 0-50%; HC 50-90%; CO 50-90% ( 3 ) ( 6 ) ( w1 ).

Recirculación de Gases de Escape (EGR): las tasas de reducción son hasta un 50% para NOx ( w1 ). Ver también ( 2 ).

En la ciudad de New York, la tecnología CRT (filtro de particulado combinado con un catalizador) usada con ULSD (menos de 50 ppm) logró las siguientes reducciones en emisiones promedio comparadas al combustible de referencia y silenciador del catalizador (ver ( 7 ): MP 88%; HC 92%; CO 94%.

Los camiones diesel en general se consideran muy confiables, especialmente en comparacion con nuevas tecnoogias que emplean trenes de potencia alternativos. Los motores diesel llevan una larga evolucion de desarrollo continuo. En pruebas de confiabilidad de camiones a combustibles alternativos, los camiones diesel sirven como controles.

En 1996, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) llevó a cabo un "Programa de Evaluación de Vehículos" para el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), usando un número de llamados de ruta para evaluar la confiabilidad de varios vehiculos a combustible alternativo ( 8 ). En este estudio, los vehiculos diesel en casi todas las pruebas en sitios tuvieron un promedio de menos de 0,2 llamados de ruta relacionados con motor / sistemas de combustibles por cada 1.000 millas, lo que en todos los casos fue menos que o (en un caso) igual a los vehiculos de combustible alternativo.

Experiencias sobre la durabilidad de las tecnologías de control de emisiones individuales han sido informadas por MECA ( 2 ): Pruebas de campo y experiencias comerciales emergentes en Europa con tecnología de filtro particulado no revelan ninguna preocupación mayor sobre la durabilidad."

"La experiencia de campo con los DOCs indicó que tienen durabilidad que cumple con las exigencias de los fabricantes de motores diesel para tareas pesadas."

"Los sistemas SCR han sido probados extensivamente en vehículos bajo condiciones de operaciones reales. Varios camiones han acumulado sobre 200.000 millas con sistemas SCR funcionando totalmente. El millaje total acumulado en la flota de camiones equipados con sistemas SCR es mas de 5.000.000 de kilómetros. No se han reportado fallas graves hasta el momento. El deterioramiento del catalizador sigue el destino previsto por su fabricante."

"La tecnología EGR no es diferente a otros sistemas automotores desarrollados con alta participación OEM, (del inglès "original equipment manufacturer", es decir: fabricante de equipamiento original). Se cree que una vez desarrollado, cumplirá las exigencias de durabilidad de los fabricantes de motores diesel de vehículos pesados.

En su "lista de tecnología verificada" ( w4 ), la EPA da una lista de "todos los productos de modificación diesel que han sido aprobados para su uso en los programas de modificación de motores", junto con "el porcentaje de reducción (de los niveles certificados o testeados) que EPA reconocerá para los créditos del State Implementation Plan (SIP)."

La Manufacturers of Emission Controls Association (MECA) llevó a cabo análisis de costos para las varias tecnologías de control de emisiones ( 2 ). MECA afirma que estos "indican que las tecnologías evaluadas como parte del programa de prueba realmente ofrecen reducciones rentables en las emisiones NOx y MP. También demuestra que las tecnologías pueden usarse en combinación para la reducción simultánea de ambos contaminantes. También debiera destacarse que el análisis no incluye los beneficios de las sustanciales reducciones en CO, HC, y contaminantes tóxicos que se pueden lograr."

Algunas estimaciones de costo están disponibles para la mayoría de las tecnologías descritas arriba, ejemplo ( 1 ) ( 2 ) ( 9 ) ( 10 ) ( w1 ). Difieren en cuanto a sus suposiciones, llevando a un rango de valores. Por ejemplo, volúmenes de venta aumentados llevarán a bajar los precios ( 9 ), y los costos que aumentan de un dispositivo de control de emisiones en un bus nuevo serán más bajos que el costo de una modificación ( w4 ). Los siguientes rangos de precios se refieren a los costos de inversión del respectivo equipamiento técnico.

Costos adicionales que tienen que considerarse incluyen aquellos de inspección y mantención, penalización de economía de combustible y combustible bajo azufre. Los costos emergentes reales serán una función de las aplicaciones y situaciones individuales ( w1 ). La US EPA estimó el costo adicional para el combustible bajo azufre (15 PPM máximo comparado a 500 PPM máximo) en 4 - 5 centavos por galón ( w2 ). ( Para estimaciones de costos adicionales de combustible bajo azufre ver Combustibles más Limpios.) Ver también ( 11 ) para una evaluación de las implicancias económicas de normas de emisiones más estrictas.

Respecto de los DPFs, "en Suecia, más de 6.500 buses han sido equipados con un sistema de filtro pasivo. DPFs también han sido modificados en vehículos pesados en Gran Bretaña, Alemania, Finlandia, Dinamarca, y Francia. En aplicaciones no carreteras, más de 10.000 sistemas de filtros han sido modificados en motores diesel en los últimos 10 años. En los EE UU., los programas de modificación de filtro diesel están realizándose en California y en New York donde la ciudad planea modificar 3.500 buses con filtros de particulados diesel" ( 5 ). En junio de 2001, se reportó una cifra de 50.000 filtros de particulado diesel modificados a nivel mundial ( 12 ).

Según ( 3 ), "la modificación de DOCs ha estado sucediendo por más de 20 años en el sector de los vehículos no carreteros, especialmente en la industria minera subterránea, con más de 250.000 motores no carreteros modificados. Desde 1995, más de 20.000 sistemas han sido modificados en buses y camiones de carretera en EE UU y Europa. Más de 3.000 camiones y buses han sido modificados en México. Hong Kong ha empezado a modificar miles de buses urbanos con DOCs."

En Europa, los filtros de escape catalizado como el CRT se han usado por 8 años ( 13 ).

"Un programa conducido en Alemania donde 22 camiones de transporte entre terminales fueron modificados con sistema SCR, alcanzaron las metas de rendimiento de una reducción aproximadamente de 70% NOx, 80% HC, y 30% de MP. La flota acumuló 3.600.000 millas de operación combinadas, con varios vehículos operando sobre las 250.000 millas con excelentes resultados" ( 5 ).

Como ( w3 ) afirma, "los sistemas EGR se han usado para reducir emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) de los motores a gasolina durante casi 20 años. Debido a estándares más estrictos de NOx, los sistemas EGR están siendo desarrollados para usarlos en motores diesel, también".

Dentro del Infopool, se describen los siguientes proyectos que tienen información sobre buses modificados: Flotas de buses más limpios en New York y Proyectos de Modificación en los EE. UU.

Aparte de los costos extras involucrados, el principal obstáculo para el uso efectivo de sistemas de modificación probablemente sea la disponibilidad de diesel de azufre bajo que se requiere para el adecuado funcionamiento de muchos dispositivos de control de emisiones.