16% af Danmarks samlede CO2 udledning kommer fra transport med personbiler. Andre former for transport står for yderligere 13%. Derfor er der stor interesse for at forbedre specielt nye personbilers brændstoføkonomi og EU har i den henseende fastlagt et mål om senest i 2010 at nå ned på et gennemsnit for EU-landene på 120 g CO2 pr. kilometer, svarende til ca. 20 km/l for benzinbiler og 22,2 km/l for dieselbiler.
I tabellen nedenfor er der vist en række nøgletal for nyregistrerede personbiler i Danmark i 2005 sammenlignet med tilsvarende tal for 1998, 2003 og 2004.
Tabellen viser meget tydeligt, at der specielt fra 1998 til 2003 er sket en betydelig forbedring af dieselbilers brændstofsøkonomi. Det betyder, at man allerede i dag kan nå langt med at opfylde EUs CO2 udledningsmål for personbiler ved at skifte endnu flere benzinbiler ud med dieselbiler end det allerede er sket.
Dieselmotoren adskiller sig principielt fra benzinmotoren på en række væsentlige punkter, hvilket giver anledning til den højere energieffektivitet, men det betyder desværre også på nuværende tidspunkt, at dieselbiler (dette gælder specielt lastbiler) forurener nærmiljøet mere end benzinbiler. Som det vil blive klart i det følgende, kan der gøres noget ved dette, hvis der på dieselbilerne monteres forskellige efterbehandlingsenheder så som katalysatorer til at fjerne de skadelige stoffer.
Udstødningsgassen fra begge typer motorer består ud over komponenter, som er uskadelige, af nogle få promille af stoffer som er usunde for mennesker. Det drejer sig om kulmonoxid (CO), carbonhydrider (HC), nitrogenoxider (NOx) og specielt for dieselmotorer sodpartikler. Tidligere var der også problemer med udledning af svovldioxid (SO2), som også gav anledning til partikler, men dette problem eksisterer næsten ikke mere, idet svovlindholdet i brændstofferne er blevet reduceret til mindre en 0,01 promille.
CO er farlig, fordi det binder sig stærkere til de røde blodlegmer end oxygen og derfor kan bevirke kvælning. HC er uforbrændt eller halvforbrændt brændstof, som det også er skadeligt for helbredet at indånde. NO2 er en rødbrun gas med en stikkende lugt, som kan give åndedrætsbesvær. NOx er summen af NO og NO2. Det er hovedsagligt NO, som udledes direkte fra motoren, men NO omdannes til NO2 i atmosfæren, en omdannelse hvis hastighed i høj grad afhænger af tilstedeværelsen af ozon. Luftforurening med partikler og i særlig grad sodpartikler fra dieselmotorer giver anledning til alvorlige negative sundhedseffekter. Det gælder både langtidseffekter som cancer og hjerte-kar-sygdomme og akutte effekter, fx astma og allergi.
Benzinbiler, som sælges i dag i Danmark/EU, er alle udstyret med en såkaldt 3-vejs-katalysator, som næsten fuldstændig sørger for at fjerne både CO, HC og NOx fra udstødningsgassen (navnet 3-vejs-katalysator stammer netop fra, at den fjerner disse 3 komponenter fra udstødningen). Benzinmotorer udsender i forhold til dieselmotoren ikke mange sodpartikler, fordi benzin og luft sammenblandes inden antænding i motoren. 3-vejs-katalysatoren virker kun, når forholdet mellem benzin og luft er afpasset, så al benzinen præcis kan oxideres til CO2 og vand – dvs der er ingen ilt tilbage i gassen, når dette er sket. Dette er ikke den mest energieffektive måde at køre en benzinmotor, men det gør så at sige, at den ikke udsender sundhedsskadelige komponenter, hvilket vejer tungere end lavest mulige CO2 udledning.
Til dieselmotorer kan 3-vejs-katalysatoren ikke benyttes, da der altid vil være overskud af luft i udstødningen fra en dieselmotor. Katalysatorer af nogenlunde samme type som 3-vejs-katalysatorer kan af denne grund kun fjerne CO og HC ved oxidation til CO2 og vand. En sådan katalysator kaldes en diesel-oxidations-katalysator og er monteret på de fleste diesel-personbiler i dag. For at komme NOx og sod til livs skal der anvendes andre metoder, hvilket også bliver påkrævet, fordi grænserne for hvor meget NOx og sod en dieselbil må udlede løbende sættes ned. Ved specielt at forbedre dieselindsprøjtningen vha. et højt indsprøjtningstryk, har det være muligt betragteligt at nedbringe både mængden af sod og NOx en dieselmotor udleder, se figur 1. På trods af denne motorudvikling, som stadig fortsætter, er der alligevel brug for teknologi til at fjerne NOx og/eller partiker, hvis de kommende strengere EU krav skal overholdes.
Sodpartiklerne fra en dieselmotor kan fanges med et såkaldt diesel partikelfilter, hvis virkemåde er beskrevet i Figur 2. Filtreringen af partiklerne giver anledning til, at der skal udføres et arbejde for at presse udstødningsgassen gennem filteret – et arbejde som koster brændstof og som er proportionalt med trykfaldet over filteret (forskellen i trykket før og efter filteret når der presses gas gennem filteret).
Efterhånden som filteret fyldes med sodpartikler stiger trykfaldet og derfor skal filteret med regelmæssige mellemrum rengøres for sod. Dette gøres ved at hæve temperaturen af filteret til ca. 600ºC, hvorved soden oxideres af overskuddet af ilt, som findes i dieseludstødningsgassen efter reaktionen C + O2 = CO2. At opnå 600ºC i filteret koster en del energi og regenereringen af filteret giver derfor også anledning til et højere brændstofforbrug. Derfor arbejdes der med forskellige metoder til at sænke temperaturen, der kræves for at afbrænde soden.
En anvendelig metode er i stedet for O2 at anvende NO2 som oxidationsmiddel. Denne NO2 frembringes over diesel-oxidations-katalysatoren, som, hvis den er designet til det, kan oxidere en stor del af den NO, der allerede findes i udstødningsgassen til NO2. Dette er en effektiv metode, men har den uheldige konsekvens, at den direkte udledning af giftig NO2 stiger.
En anden mere miljøvenlig metode er at sørge for, at soden kommer i kontakt med en katalysator, som katalyserer oxidationen af sod. Denne katalysator kan placeres i/på filtervæggen eller tilsættes til brændstoffet, så soden bliver født med iblandet katalysator. Haldor Topsøe A/S har udviklet en sodoxidationskatalysator til filtervæggen, som også tillader brugen af NO2 som oxidationsmiddel uden den direkte NO2 udledning stiger så meget. Katalysatoren kan samtidig med oxideringen af sod fjerne en stor del af den NO2, som blev dannet over diesel-oxidations-katalysatoren.
Selv om brugen af NO2 og/eller sodoxidationskatalysator, kan forlænge tiden mellem hver regenerering og hvor høj temperatur, der er nødvendig for regenereringen, giver montering af et partikelfilter anledning til et højere brændstofforbrug for dieselmotoren, typisk nogle få procent højere. Men igen er fordelen ved renset udstødningsgas at foretrække frem for høj effektivitet.
NOx kan fjernes fra dieseludstødningsgassen, hvis der tilsætte et reduktionsmiddel, som med indvirkning af en passende katalysator kan bringes til at reagere med NOx, som derved selektivt kan reduceres til uskadelig N2. Det eneste reduktionsmiddel, som har vist sig praktisk anvendelig er ammoniak, der katalytisk kan reagere med NO efter følgende reaktionsskema:
4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O
Denne reaktion kaldes selektiv katalytisk reduktion (SCR fra den engelske version af navnet). Den katalytiske reaktion skal være selektiv, fordi det er vigtigt at undgå sidereaktioner som fx oxidation af ammoniak:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
samt dannelsen af lattergas, N2O, som er en meget kraftigere drivhusgas end CO2.
Der anvendes i dag to typer katalysatorer til SCR, som har en tilstrækkelig aktivitet og selektivitet i temperaturintervallet 200-500C. Det er i dette interval, at udstødningsgassen typisk ligger under drift.
I den type vi vil nævne her, er den aktive katalysator, V2O5, spredt ud som et atomart tyndt lag på en stabiliseret TiO2 overflade. Det er en overflade, som både kan binde reaktanterne NO og NH3 og sørge for, at den ønskede redox-reaktion forløber hurtigt. Denne type katalysator bliver monteret på mange europæiske lastbiler i dag. Haldor Topsøe A/S producerer sådanne katalysatorer, se Figur 3.
Ammoniak er en giftig gas og derfor foretrækker man at tillede den til udstødningsgassen i form af en vandig opløsning af urinstof, CO(NH2)2, der ved opvarmning reagerer med vand (hydrolyseres) og danner ammoniak og CO2.
Dosering af urinstoffet er en udfordring, dels fordi NOx mængden kan svinge meget under kørslen, og dels fordi det er yderst vigtigt, at urinstoffet fordeles homogent i udstødningsgassen, inden denne rammer SCR katalysatoren. Af denne grund er en SCR katalysator med tilhørende urinstoftank og doseringssystem et kompliceret system, som mange bilproducenter søger at undgå. Men systemet har dog klare fordele.
En dieselmotor kan designes, så man nedsætter dens emissioner af NOx og sodpartikler. Dog må man gå på kompromis, da den indstilling af motoren, der giver lavest NOx, giver høj sod og visa versa. Dette skyldes, at en sænkning af den maksimale forbrændingstemperatur, som sænker dannelsen af NOx, øger emissionerne af sodpartikler, fordi den lavere temperatur bevirker, at forbrændingen af brændstoffet bliver mindre fuldstændig. Der kan derfor forekomme et valg mellem enten partikelfilter eller SCR for at opfylde emissionskravene for et køretøj, se figur 1.
Set ud fra et brændstoføkonomisk synspunkt er det fordelagtigt at tune motoren, så den udsender tilstrækkeligt lidt partikler og anvende SCR til at bringe NOx ned til et acceptabelt niveau. Dette er også valget, man har truffet for mange lastbiler i Europa, mens de fleste personbiler i stedet er blevet udstyret med partikelfilter, fordi prisen og kompleksiteten er mindst for dette system. Dette kan den bedre brændstoføkonomi ikke opveje, fordi personbiler i deres levetid kører betydeligt kortere end lastbiler.
Selv om dieselmotoren stadig udvikles, vil fremtidens køretøjer over en vis størrelse skulle udstyres både med filter og SCR for at kunne overholde fremtiden strengere emissionskrav. Som det er søgt illustreret giver dette anledning til, at dieselmotoren får et højere brændstofforbrug. Dog er den stadig mere effektiv end en benzinmotor og en øget dieselandel af biler vil være en vigtig måde at sænke CO2 udledningen i forbindelse med transport.
Kilde og Forfatter
Projekleder Søren Dahl, Haldor Topsøe
Biobrændsel til transport
Energieffektivitet
»Klima i Gymnasiet - om Naturvidenskab
