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

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

Las más importantes de estas tecnologías están mencionadas abajo.

Las técnicas de manejo de motores pueden usarse para reducir las emisiones de NOx de los motores diesel, ajustando el motor a bajas emisiones de NOx. Aunque esto va típicamente acompañado por mayores emisiones de CO, HC de particulado, se puede agregar, entonces, el catalizador de oxidación para contrabalancear esos aumentos, bajando las emisiones de todos los contaminantes.

Los Catalizadores de oxidación de diesel (DOCs): reducen el monóxido de carbono, hidrocarbonos y la fracción orgánica soluble (SOF) del material particulado ( 1 ); ver también ( 2 ) ; además de reducciones importantes de "emisiones no reguladas" (contaminantes no reguladas ni por leyes ni por normas), así como reducción de actividad mutagénica y cancerígena.

En la mayoría de las aplicaciones un catalizador de oxidación de diesel consiste en una caja de acero inoxidable que contiene una estructura de panal de abejas llamada sustrato o soporte 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 de diesel, el catalizador oxida monóxido de carbón (CO), hidrocarburos gaseosos (HCs) y los hidrocarburos líquidos adsorbidos sobre las partículas de carbono, llamadas 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 eficientes 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 buses urbanos en uso. Los datos de certificación también indican que los catalizadores de oxidación logran reducciones sustanciales en emisiones de CO y HC.

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. Esta reacción de Dióxido de Azufre a 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 de tal modo que selectivamente oxidan la fracción orgánica soluble (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 más bajo en azufre (0,05% wt.) que se introdujo en 1993 en todo los EE UU y a mediados de los 90 en la EU, ha facilitado la aplicación de tecnologías de catalizadores a los vehículos 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 aún más el rendimiento del catalizador.

Después de introducir combustible diesel de bajo azufre con un máximo de 50 ppm de azufre, Hong Kong ha iniciado un programa de modificación de catalizadores de oxidación diesel en el cual los fabricantes han certificado sistemas que logran 35% de reducciones de MP inicial, y 25% de reducciones de MP después de una extendida acumulación de kilometraje.

Los filtros particulados de diesel (DPFs) reducen el material particulado al filtrarlo mecánicamente del flujo de escape ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ). Los más recientes DPFs (tasa de reducción de 90 - 95%) también reducen el tamaño de las partículas de manera uniforme, lo que significa que las partículas pequeñas y grandes serán reducidas. Los DPFs también pueden combinarse con catalizadores de oxidación ( 2 ) ( w1 ).

Debido a que las partículas filtradas, por otra parte, acumularán y taponearán el filtro, sistemas de filtros exitosos deben proporcionar una forma de quemar el MP juntado, así llamado regeneración, o, de lo contrario, de remover las partículas capturadas.

Una variedad de materiales filtrantes se han usado en filtros de particulados diesel que incluyen: materiales cerámicos y carburos de silicona, cartuchos de fibra enrollada, bobinas de fibras de silice 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 en el vehiculo y externos a él. Las principales técnicas de regeneración se mencionan abajo.

1. 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.
2. La regeneración basada en catalizadores que usa un catalizador de oxidación de flujo en contracorriente. 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 se adsorbe sobre el particulado almacenado, reduciendo sustancialmente la temperatura requerida para regenerar el filtro.
3. Catalizadores transportado por el combustible. Reducen la temperatura requerida para la ignición de material particulado atrapado. (Un sistema basado en cerio se utiliza en la producción de vehículos livianos en Europa.)
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Calentadores eléctricos externos. Estaciones de regeneración fuera del vehiculo 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 los sistemas de filtro descartables . Un filtro descartable se mide para atrapar particulado para un turno de trabajo u otro periodo 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 del 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 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 catalítica de sulfatos. 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 particulado puede ser usada exitosamente en aplicaciones donde el nivel de azufre del combustible sea mayor a 0,0015 wt., pero sólo después 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. Si el contenido de azufre es de más de 15 ppm, los intervalos para mantener el filtro aumentarán desproporcionadamente.

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

Un sistema SCR utiliza un catalizador metálico y un reactivo químico (o reductante), generalmente una solución úrea acuosa en aplicaciones de fuentes móviles, para convertir oxidos 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 (rpm) y carga. A medida que los gases de escape y el reductor pasen al catalizador SCR, las reacciones químicas ocurren y reducen la emisiones de NOx entre 75 y 90 por ciento, las emisiones de HC hasta un 80%, y las emisiones de PM 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 corriente 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.

La técnica de SCR está todavía en desarrollo y no se usa regularmente en aplicaciones carreteras en Europa.

Los absorbedores 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 recién comenzando a entrar al mercado en aplicaciones limitadas y no se considera apropiada para aplicaciones típicas de modificación.

Los sistemas de recirculación de gas 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 proyectos pilotos en Suecia desde principios del 2002. Cuando se instalan sistemas EGR como dispositivos de modificación, siempre habrá un equilibrio entre reducción de NOx y consumo de combustible. Para optimizar un sistema EGR y alcanzar una aceptable penalización de combustible (hasta 2 - 3%), se debe realizar una calibración especial para cada tipo de motor.

EGR involucra recircular una porción del escape del motor de vuelta a la toma del cargador, en el caso de los motores turboalimentados, o entradas múltiples, en el caso de los motores aspirados naturalmente. En la mayoría de los sistemas, un 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 ). La fuente ( 4 ) da una introducción concisa. Las tecnologías mencionadas arriba pueden usarse en varias combinaciones entre sí. Todas estas tecnologías, excepto EGR, requieren del uso de diesel de bajo azufre (LSD), o, de preferencia, de diesel de ulta bajo azufre (ULSD), para un rendimiento óptimo.

Los sistemas de modificados como los catalizadores de oxidación, los filtros de particulado, etc. que se montan en los camiones en uso, necesitan de una infraestructura a nivel nacional bien desarrollada para que sean una alternativa real. La disponibilidad de combustibles de bajo azufre estables, programas de I/M bien organizados, recursos de mantención con personal calificado en los talleres, son ejemplos de condiciones sin discusión.

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 bajo azufre, y si se efectúan adecuadas inspección y mantención.

EPA da un visión global de los potenciales de reducciones de emisiones y otros parámetros, tales como precios, tolerancia de azufre y penalización de combustibles para una serie de tecnologías de control de emisiones ( w4 ). Los datos, sin embargo, no son directamente transferibles a otros países que tienen otra composición de la flota de vehículos, de la tecnología de combustible usada, de la calidad de combustible, y otras condiciones locales.

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 ) ( 3 ) ( w1 ). Como se citó en el ejemplo de Hong Kong arriba, una estimación de reducción de 25% de MP es razonable si se usa con combustible que no contenga más de 50 ppm azufre.

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

Los catalizadores de oxidación diesel (DOCs): tasas de reducción son: MP 20 - 50%; HC 50 - 90%; CO 10 - 90% ( 2 ) ( 3 ) ( w1 ).

Reducción catalítica selectiva (SCR): tasas de reducción son: NOx 60 - 90%; PM 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 el ejemplo de la modificación en Suecia arriba mencionado, se están logrando reducciones de NOx de 35%.

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 motor diesel de referencia (ver ( 7 )): PM 88%; HC 92%; CO 94%.

En la medida en que los sistemas de modificación de buses diesel aumenten el consumo de combustible, también tenderán a incrementar las emisiones de dióxido de carbono, un poderoso gas de invernadero.

Los buses diesel en general se consideran muy confiables, especialmente comparados con tecnología más reciente que emplea trenes de potencia alternativos. Los motores diesel tienen una larga línea evolutiva con desarrollo continuo. En pruebas de confiabilidad de buses con combustble alternativo, los buses diesel sirven de referencia.

Experiencias sobre la durabilidad de las tecnologías de control de emisiones individuales han sido informadas por la Manufacturer of Emission Controls Association , MECA ( 2 ):

• Pruebas de campo y experiencias comerciales emergentes en Europa con tecnología de filtro particulado no revelan ninguna preocupación de durabilidad mayor."
• "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."

• "La tecnología EGR no es diferente a otros sistemas automotores desarrollados con alta participación OEM (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 menciona "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 Plan de Implementación Estatal (SIP)."

Es importante enfatizar que las experiencias arriba expuestas emanan de las flotas de vehículos en Europa y EEUU y las condiciones de esos lugares.

La 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 PM. 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 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 de bajo azufre (15 ppm máximo comparado a 500 ppm máximo) en 4 - 5 centavos por galón ( w1 ). (Para estimaciones de costos adicionales de combustible de 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 en vehículos pesados no carreteros, 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" ( 3 ). En junio de 2001, una cifra de 50.000 filtros de particulado diesel modificados a nivel mundial se reportó ( 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 EEUU 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 más de 10 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 aproximadamente una reducción 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".

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, los siguientes proyectos se describen y 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 bajo azufre que se requiere para el adecuado funcionamiento de muchos dispositivos de control de emisiones. También donde los filtros de MP sean usados, deben ser cuidadosamente adaptados a los vehículos que se han de modificar, considerando especialmente el ciclo operativo del vehículo y la temperatura de escapes.