Környezetvédelem | Levegőtisztaság » Közlekedés és környezet, környezetbarát gépjárművek

Közlekedés és környezet: környezetbarát gépjárművek A regisztrált gépkocsik számának növekedése és növekedési trendje Kipufogók „működés” közben Az antropogén légszennyezés kb. 50 %-ért a belsőégésű motorok révén megvalósuló közúti közlekedés a felelős. Gépjárművek tipikus kipufogógázösszetétele Komponens Otto-motorok Dízel-motorok Hatás nitrogén oxigén szén-dioxid víz(gőz) 74-77 tf% 0,1-5 tf% 5-12 tf% 3-6 tf% 75-78 tf% 2-14 tf% 6-12 tf% 1-6 tf% a levegő természetes alkotórészei Vonatkoztatási tömeg (RW) (kg) Kategória hidrogén 1500-2500 ppm 20-500 ppm 0,5-10 tf% 100-1000 ppm 50-200 ppm 0-10 ppm 0-200 ppm 0-2 mg/m3 100-2000 ppm 10-500 ppm 800-5000 ppm 10-100 ppm 0-50 ppm 10-1100 mg/m3 nincs káros hatás mérgező, egészség- és környezetkárosító policiklusos aromások 0-10 µg/m3 10-20 µg/m3 rákkeltő B (2005) CH tömege L2 (g/km) összes RW < 1305 2.3 2.3 N1 (3) II 1305 < RW

< 1760 4.17 0.80 M (2) III ÷ I 1760 < RW összes RW < 1305 5.22 1.0 1.0 0.95 0.50 0.50 II 1305 < RW < 1760 1.81 0.63 III 1760 < RW 2.27 0.74 N1 (3) (1) (2) (3) (CH + NOx) össztömege NOx tömege L3 (g/km) L2 + L3 Benzin Diesel Benzin Diesel Benzin Diesel Benzin Diesel ÷ I 0.64 0.64 0.20 0.20 ÷ ÷ 0.15 0.15 0.25 ÷ 0.18 0.29 0.10 0.10 ÷ ÷ ÷ 0.21 0.8 0.8 0.13 ÷ 0.10 0.16 ÷ 0.11 0.50 0.50 Részecskék (PM) tömege (1) L4 (g/km) Diesel ÷ ÷ 0.56 0.56 0.05 0.5 0.65 ÷ 0.72 0.07 0.78 0.25 0.25 ÷ ÷ ÷ 0.86 0.30 0.30 0.10 0.025 0.025 0.33 ÷ 0.39 0.04 0.39 ÷ 0.46 0.06 Kompressziós gyújtású motorhoz Kivéve a 2500 kg legnagyobb tömeget meghaladó járműveket És azok az M kategóriájú járművek, amelyeket a (2) lábjegyzet határoz meg 1991 2,6 g/km 0,3 g/km 0,8 g/km 0,18 g/km CO szénhidrogének NOx PM - részecske Hazai előírások 2005 - 0 káros emisszió 2010 - negatív káros emisszió

CO tömege L1 (g/km) Osztály M (2) A (2000) szén-monoxid szénhidrogének nitrogén-oxidok kén-dioxid aldehidek korom (PM) Kaliforniai törvények: Gépjármű emissziós határértékek 1996 0,3 g/km 0,2 g/km 0,125 g/km 0,08 g/km 2005 0,15 g/km 0,1 g/km 0,08 g/km 0,025 g/km Európai Uniós emissziós határértékek A dízelolajok kéntartalmára vonatkozó előírások Diesel Fuel Sulfur Specifications PPM 1,2 600 1 500 0,62 0,6 0,63 200 0,5 0,15 50 50 50 15 10 50 10 20 06 ce nt A iv us e tr al ia 20 06 EU 20 05 /9 ? S U In Ta x H K K U (2 00 3) m an y Ja pa n 20 03 /4 EU CHx korom G er Dízel EURO4 20 05 C ity Sw B us ed en C la ss 1 Dízel EURO3 sh 0,025 Dízel EURO2 al 0,05 0,05 Dízel EURO1 50 10 an i Otto EURO4 50 0 NOx D Otto EURO3 0 0,06 20 00 Otto EURO2 0 at io n 0 0,07 0,08 EU Otto EURO1 100 0,25 0,1 0,18 0,11 N 0 0 0,08 0,2 S 0,23 0,2 an 0,28 350 300 Ja p 0,51 400 U emisszió, g/km EURO1:

1992 EURO2: 1996 EURO3: 2000 EURO4: 2005 0,8 0,4 500 500 1,02 1 Emissziócsökkentési feladatok, lehetőségek Motorbenzinek ólomtartalma: 0,4 g/l (1990) 0,15 g/l (1996) 0 g/l (1999) Újtípusú motor- és gépkocsikonstrukciók alkalmazása Motorhajtóanyagok fejlesztés Kipufogógázok katalitikus kezelése Energiahatékonyság ↔ fogyasztáscsökkentés A gépjárművek energiafelhasználásának megoszlása A gépjárművek tömegének csökkentése A gépjárművek műanyagból elkészíthető egységei Az 1 liter /100 km fogyasztású gépkocsi prototípusa ELEKTROAUTÓK Tüzelőanyagcella elektromos energiájával hajtott járművek Elektromos autó - villanymotor hajtás (tárolt elektromos energiával) tüzelőanyag: hidrogén hibrid hajtás villanymotor + belsőégésű motor tüzelőanyagcellás jármű konduktív töltés elektromos energia tárolása elektrokémiai tárolók(akkumulátorok) induktív töltés elektrosztatikus tárolók

(kondenzátorok) elektromechanikus tárolók (lendkerekek) felhasználása Időigény! modern vezérléssel ellátott aszinkronmotor állandó mágnessel gerjesztett szinkronmotor Előnyök - nincs lokális károsanyag emisszió - csendes működés Hátrányok - rövid hatótávolság - lassú feltöltés - nagy holtteher - gazdaságosság metanol, benzin, földgáz CO2, víz csak víz Jellemzők: • kitűnő hatásfok a teljes üzemelési tartományban • gazdaságos üzemmód • H2 esetén nincs környezetszennyező emisszió • H2 előállítható alternatív energiaforrásokkal (vízbontás napenergiával, mikroorganizmusokkal) • kis méretek, kis tömeg (nincs holtteher) • csendes üzemmód • nincsenek mozgó alkatrészek (karbantartás!) • folyamatosan üzemelhet • állandó feszültséget szolgáltat • a hidrogénkészlen nem fogy el • az elektromos hajtás előnyei érvényesülnek Tüzelőanyagcella elvi vázlata HIDROGÉNTÁROLÁS

CSEPPFOLYÓSÍTÁS VEGYÜLET (hidrid) ADSZORPCIÓ (szén nanocső) 2 Tüzelőanyagcella Tüzelőanyagcellával hajtott elektrogépkocsi Hidrogén – az új, környezetbarát üzemanyag és energiahordozó Ballard Buses Volvo bus Tüzelőanyag cellás gépkocsik Ford Prodigy Chrysler GM Precept Demo 2004 Jeep GM Opel Zafira Hidrogén - energetika H A hidrogén energetikai hasznosításának elemei - bőségesen rendelkezésre áll: víz, földgáz (CH4) - többféle módon előállítható - szénelgázosítás (C + H2O) - földgáz reformálás (CH4 + H2O) - vízelektrolízis - fotolízis napenergia felhasználásával - H2 termelő mikrobákkal FORRÁS: VÍZ ÁTALAKÍTÁS TERMELÉS TÁROLÁS - energetikailag többféle módon hasznosítható - termikus égetés – hőerőmű - belsőégésű motor – motorhajtóanyag - üzemanyagcella – hálózati elektromos energia – gépjárműhajtás SZÁLLÍTÁS FELHASZNÁLÁS 3 HIDROGÉN ELŐÁLLÍTÁS VÍZBŐL

A szén elgázosítása oxigénnel vagy (és) vízgőzzel (szintézisgáz és hidrogén előállítás szénbázison) ΔEelm.: 1,23 V, ~ 1,7-2 V napenergia, fotokatalízis mikrobiológiai elektrokémiai kémiai redukció 1784 Lőwen: 1816 Weimar: 1817 London: 1819 Pest: 1904: 1922: 1931: 1941: Johannes Petrus MINKELERS Gázgyártás utcai gázvilágítás Nemzeti Múzeum: gázvilágítás Kerpely Antal: excentrikus forgórostély Kerpely-Koller generátor Winkler-féle fluidizációs generátor Lurgi-féle nyomás alatti szénelgázosítás Koppers-Totzek eljárás porszén elgázosításra generátorgáz (CO + N2), 5 – 7 MJ/m3 vízgáz (CO + H2), 15 – 20 MJ/m3 TERMÉKEK BIPOLÁRIS VÍZBONTÓ CELLA UNIPOLÁRIS VÍZBONTÓ CELLA szintézisgáz (kevert gáz) (CO + H2 + N2), 13 MJ/m3 1) elektródok, 2) difragmák, 3) gázelvezető csatornák, 4) gázgyűjtő kamrák, 5) áramhozzávezető csatlakozások, 6) rögzítőrúd 1) cellaegységek, 2) anódlemezek (nikelezett vas) 3)

katódlemezek (vas), 4) diafragmák, 5) oxigénelvezeté, 6) hidrogénelvezetés, 7) áramhozzávezetés SNG (CH4 + ), 25 – 42 MJ/m3 HIDROGÉN ELŐÁLLÍTÁSA SZÉNHIDROGÉNEKBŐL ÉS VÍZBŐL Hidrogén szállítás katalitikus „gőzreformálás”, oxigenolízis Cn H m REAKCIÓK: m   n H 2O  n CO   n   H 2 2  CH 4  H 2  CO  3 H 2 H ro H ro  0  206,2 kJ mol Szénmonoxid konverzió (Water Gas Shift Reaction): CO  H 2O  CO2  H 2 Mellékreakciók: H ro 2 CO  C  CO2 CH 4 Hidrogén szállítása csővezetékben   41,2 kJ mol H ro  C  2 H2 H ro  172,4 kJ mol  74,9 kJ mol CmHn: „széndepozitum Hidrogén szállítása tankhajón Nátrium-alanát Hidrogén tárolási lehetőségek     nagynyomású (p > 300 bar) gáztartályok cseppfolyós hidrogén szén nanocsövekben adszorpcióval fémhidridek Fuel (NaBH ) H  MgH2 Fuel (Mg)  NaAlH4 Spent fuel

Spent fuel recovery (MgO) (NaBO )  NaBH4 • 3 NaAlH4 • Na3AlH6 4 2 Fuel PEFC 2 Service Station Borohydride Production Fuel Cell Vehicle • • • • • Na3AlH6 + 2 Al +3 H2 3 NaH + Al + 3/2 H2 5,6 % tömeg% hidrogén ár: 50 USD/kg lassú reakció csak 300 oC fölött reverzibilis adalékolás: Ti - 150 oC-on már reverzibilis - 2-4-szer gyorsabb reakció - jelenleg még drága tércentrált tetragonális kristályrács IA/4 tércsoport rácsállandó ~ 5x11 Ångström. 4 Hidrogén tárolás szén-nanocsövekben reverzibilis adszorpció - deszorpció Hidrogén-tárolás MOF-típusú fémorganikus szerkezetben Zn-benzoltribenzoát Hidrogén tárolási módszerek összehasonlítása H-tartalom, tömeg% 1 m3 térfogatban tárolt H (kg) 100 42 Cseppfolyós H2 100 70 C-nanocső ~6-8 36 MgH2 7,6 75 7,5 (5,6) 150 !? 6,5 49 Módszer H2 gáz, 200 bar NaAlH4 Zn-benzoltribenzoát (MOF) Hidrogénhajtású gépkocsi tankolása

Gépkocsikatalizátorok 1966 Kalifornia: Clean Air Act 1. 1970 Kalifornia: Clean Air Act 2. 1975-től a gépkocsikat kipufogógáz-kezelő rendszerrel kell ellátni - 1975 - egyutas, oxidációs konverterek - 1977 - kétkonverteres: oxidáció NOx redukció - 1979 - a kétutas katalizátor közös konverterházban - 1981 - háromutas katalitikus konverter (three way converter) Reakciók a) CO + 0,5 O2 CO2 CxHy + (x +y/2) O2 x CO2 + y/2 H2O H2 + 0,5 O2 H2O Végtermékek: b) (2x + y/2) NO + CxHy x CO2 + y/2 H2O + (x+ y/4) N2 c) 2 NO + 2 CO N2 + 2 CO2 N2, CO2, H2O 2 NO + 5 H2 2 NH3 + 2 H2O 2 NO + 2 H2 N2 + 2 H2O d) CxHy + x H2O x CO + (x + y/2) H2 5 Háromutas (three way) konverterek Egyutas (oxidációs) konverter felület: 10000 – 50000 m2 térfogat: 1000-2500 cm3 diszperzitás: 10-50% katalizátor: Pt vagy Pd Kétutas (redukciós + oxidációs) konverter Katalizátor: Pt + Rh (Pd) hordozó γ-Al2O3 0,9-3 g Katalitikus konverter 0,1-0,5 g Újtípusú motor

5-10 g Katalizátorhordozók Monolitszerkezet (kerámia) Monolitcsatorna a hordozó és a katalizátor felvitelét követően Gépkocsi konverter A katalizátor nagyított (elektronmikroszkópos) képe A háromutas katalitikus konverter elhelyezése és működésének szabályozása (vezérlése) vezetői manőverek Hordozó + katalizátor Alsó (kötő) réteg levegő adagolás benzin adagolás elektronikus szabályzó Oxigén szenzor Kerámia monolit KATALIZÁTOR (konverter) MOTOR 6 A háromutas katalitikus konverter vezérlése A katalizátor elhelyezése 100 HC benzin konv. % CO stoic 0 14.3 Számítógép NOx 14.9 14.6 A/F arány kipufogógáz katalizátor Oxigén szenzor Motor gázpedál Pt/Pd/Rh Al2O3/CeO2 hordozón levegő λ= aktuális levegő/benzin arány A hőmérséklet hatása a háromutas gépkocsikatalizátor működésére sztöchiometrikus levegő/benzin arány 1500 1400 a hordozó olvadáspont a hordozó fázisváltozása

1300 a hordozó leválása a monolitról 1200 referencialevegő O2 referencialevegő kipufogógáz O2 O2 O2 O2 O2 O2 Cirkónium-oxid (ZrO2) réteg porózus kerámia védőréteg Cirkónium-oxid alapú λ-szenzor a katalizátorhordozó fizikai-kémiai tulajdonságai kipufogógáz e- O2 O2 vezérlő jel e- a konverter műszaki paraméterei O2 a Rh diffúziója az Al2O3 rétegbe 700 a Pt szintereződés megindulása 600 a Zn és a P reakciója a hordozóval SO2 és SO3 deszorpció 400 SO3 adszorpció (kemiszorpció) 300 CO2 deszorpció 200 SO2 adszorpció víz deszorpció 100 O2 O2 800 500 platina elektródák ΔU O2 O2 O2 O2 O2 Al2O3 fázisváltozás kezdete 900 víz és szén-dioxid adszorpció A kipufogógáz hőmérséklete kipufogógáz 1000 α-Al2O3 képződés A katalizátorágy hőmérséklete Hőmérséklet, oC 1100 A termikus dezaktiválódás tartománya Működési tartomány Optimális működési tartomány Nincs átalakulás

0 O2 reakció (működési) hőmérséklet monolitváz szerkezeti romlása (töredezés) katalizátor mennyiségi csökkenése hordozó fázisátalakulása α-Al2O3 képződés irreverzibilis a katalizátorprekurzor felvitele (impregnálás) a kipufogógáz térsebessége a háromutas katalizátorok hatásosságát befolyásoló tényezők a platinafémek mennyisége, aránya diszperzitása a kipufogógáz összetétele katalizátorméreg (benzineredetű) adszorpció katalizátor dezaktiválódás aktív komponensek felületi vándorlása platinafém szintereződés termék adszorpció reverzibilis az aktív katalizátor kialakítása élettartam, mérgeződés dinamikus körülmények oxidációs állapot változás felületi szennyeződés felületi kokszosodás 7 TEM felvételek: Pt krisztallitok Al2O3-hordozón a) friss katalizátor b) 1323 K-e hőmérsékleten, levegőn 1 nap múlva A katalizátor dezaktiválódásának lehetőségei A hidegindítás

hatását csökkentő megoldások Szénhidrogén csapda (adszorbens) 1. Motorhoz közel elhelyezett katalizátor; 2. Elektromosan fűthető fém monolit; 3. Szénhidrogén csapda (adszorpció); 4. Kémiailag fűtött katalizátor; 5. Előkonverter alkalmazása; 6. Előmelegítő égők; 7. Hidegindítás gyújtáskésleltetéssel, vagy kipufogó utáni égetés; 8. Égőtér változtatható szeleppel; 9. Duplafalú kipufogócső Az elektromos fűtésű katalizátor működése Elektromosan fűthető fém monolitváz Előkonverter alkalmazása 8 Dízelmotorok emissziójának szabályozása Koromszemcsék Nitrogén-oxidok Extrahálható szerves vegyületek A dízelmotorokra vonatkozó környezetvédelmi előírások változása (Európai Unió) % reduction Diesel Cars 100 befecskendezési nyomás szabályozása táplevegő hűtés 90 henger–dugattyú kialakítás 80 70 60 kipufogógáz recirkuláció turbófeltöltés befecskendező kialakítás 50 40 30 20 10 0

2008 2010 2004 HC+NOx 2006 2000 1992 1994 2002 Dízel oxidációs katalizátor 1996 Koromszűrő rendszer 1998 NOx redukciós katalizátor 1988 PM 1984 szelephézag szabályzás 1990 égetőkamra kialakítás 1986 befecskendező szabályzás A dízelolajok kéntartalma 2010 10 ppm 2004 1993 50 ppm 20% 500 ppm 1990 előtt 1500 ppm – 80% 5,000 ppm Turbófeltöltéses dízelmotor (1980: 14000 ppm) A turbófeltöltés elve és gyakorlati megoldása Koromszűrő kialakítása és működési elve 9 Dízelmotorok kipufogógázaiban lévő szilárd részecskék összetétele Nehéz gépjárművek esetén alkalmazható megkerülő (by-pass) rendszer Könnyű dízelüzemű gépjárműveknél alkalmazható megkerülő és leégető rendszer Koromszűrő elhelyezése és külső kialakítása Dízel oxidációs katalizátorok Dízel oxidációs katalizátor és koromszűrő kombinációk Pt/Al2O3 - 0,35 – 1,75 g Pt/dm3 Pd/Al2O3 - 1,20 – 3,65 g

Pd/dm3 NOx kezelési lehetőségek NOx adszorber álló forrás mérgeződés kén Karbamid tank Redukálószer (CO, CH) koromszűrő DeNOx katalizátor foszfor gépjármű SCR eljárás ammónia karbamid független Nehéz-dízel gépjármű, karbamidos DeNOx-katalizátorral 10