El difícil equilibrio entre el control de la contaminación y la eficiencia energética

El reciente escándalo de los motores trucados para eludir los controles de emisiones contaminantes pone de manifiesto que las soluciones tecnológicas para la eliminación de NOx,a pesar de los enormes avances conseguidos, no son aun plenamente satisfactorias. Para hacer frente al difícil reto de reducir el consumo de combustibles y simultáneamente potenciar la eliminación de los gases contaminantes será necesario desarrollar sistemas catalíticos más eficientes.

Autor: Juan M. Coronado-Instituto IMDEA Energía

En septiembre de 2015,  la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) reveló que Volkswagen había modificado fraudulentamente el software  de sus automóviles con motor diésel para superar las pruebas de emisiones. Los estudios realizados indican que algunos de estos vehículos emitían en condiciones reales hasta 40 veces más NOx (una combinación NO y NO2) que el límite  legalmente admitido.1 

La exposición a corto plazo a dióxido de nitrógeno se vincula con a la inflamación de las vías respiratorias y el aumento de los síntomas de asma. En la atmósfera, el dióxido de nitrógeno contribuye a la formación de ozono troposférico y partículas, que también tienen efectos perjudiciales para la salud. Un estudio reciente estima que exceso NOx liberado por los coches trucados de Volkswagen en los Estados Unidos podría causar 46 muertes adicionales sobre las esperadas por efecto de la contaminación,  y daños por un valor de 430 millones de dólares.2 En Europa, sin embargo, el exceso de NOx debido a las manipulaciones ilegales no sería tan evidente debido a la peor calidad media del aire, causado por la mayor proporción de vehículos diésel y una legislación menos restrictiva.

El  escándalo de las emisiones ha causado una lógica oleada de  indignación ente los usuarios y la sociedad en general, que no puede entender y mucho menos justificar el uso de trucos informáticos para falsificar los datos de emisiones.  No cabe duda que no hay excusa posible para el fraude, y mucho menos si pone el riesgo la salud de las personas, pero estas manipulaciones muestran que existe un problema de fondo con la contaminación de los automóviles. Estas prácticas ilegales  se usaron para ocultar la incapacidad de encontrar soluciones técnicas adecuadas para el control efectivo de las emisiones de los vehículos con motores diésel.

Los motores diésel son de 15 a 20% más eficientes que los motores de gasolina convencionales, en parte porque emplean un exceso de aire durante la combustión. La mezcla rica en oxígeno de los productos de la combustión de un motor diésel se expande más y transfiere más energía al empujar el pistón que un motor de gasolina, generando más energía mecánica para una cantidad dada de combustible. Después de la combustión, la temperatura dentro de los motores, tanto de gasolina como diésel, es lo suficientemente alta como activar la reacción del nitrógeno con el aire y generar NOx. Pero el exceso de oxígeno presente en un motor diésel crea un ambiente oxidante que hace difícil dar marcha en el proceso y reducir NOx a nitrógeno. Estas circunstancias crean la necesidad de un sistema de retrocontrol de emisiones. Si los sistemas funcionan bien, entonces el motor puede trabajar eficientemente mientras que la mayor parte de los NOx generados se eliminan de los gases de escape. Pero incluso con el mejor ajuste posible, estos sistemas electrónicos de control de mezcla reducen la eficiencia y aumentan el consumo de combustible. Es por ello que se hace imprescindible el empleo de sistemas catalíticos de control de las emisiones.

El sistema de tratamiento post-combustión de NOx más común se conoce como reducción catalítica selectiva (SCR según el acrónimo inglés). Este proceso se basa en un catalizador que combina NOx y amoníaco para producir nitrógeno de forma selectiva. Para ello es preciso llevar a bordo un depósito de urea, que se descompone térmicamente en amoníaco y permite  inyectar este componente en el sistema de escape. Pero el mayor problema es que los catalizadores basados en zeolitas de estos sistemas no funcionan a temperaturas por debajo de unos 200 °C. Sin embargo, tales temperaturas se dan en numerosas circunstancias de la conducción como durante el arranque frío o con el motor al ralentí, y su contribución a las emisiones acumuladas durante toda la vida de un vehículo es significativa.

Otro tipo de dispositivo para el tratamiento de emisiones son las trampas de NOx. Estos sistemas, evitan el uso del depósito de urea, que es difícil de acoplar en los vehículos más pequeños, y aprovechan a su favor las condiciones oxidantes que hacen difícil reducir químicamente los NOx. Cuando el motor está en marcha con una mezcla pobre en combustible, la trampa utiliza nanopartículas de platino para catalizar la conversión del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno, que rápidamente forma nitratos sólidos con las nanopartículas de óxido de bario. Posteriormente es posible reducir los nitratos alimentando mezclas ricas en combustible en intervalos cortos. Durante estos períodos, las nanopartículas de platino catalizan la reacción de los  hidrocarburos de la gasolina liberando los NOx de la trampa para producir nitrógeno y agua.

Las trampas de NOx se han utilizado en algunos de los nuevos turismos diésel vendidos en Europa y Estados Unidos, incluyendo al menos uno de los modelos VW implicados en el escándalo, pero la inyección del combustible necesaria para regenerar la trampa afecta a la eficiencia del motor, por lo que esta estrategia han sido menos popular que los sistemas SCR. Más importante aún, las trampas son sensibles al envenenamiento por azufre, una impureza presente a nivel de trazas en el combustible diésel, y que puede acumularse limitando la regeneración del sistema. Aumentando la temperatura de trabajo del motor y añadiendo una dosis adicional de combustible es posible eliminar los sulfatos formados en la trampa, pero esto supone también reducir la economía de combustible.

Estas limitaciones indican que, a pesar de los enormes avances conseguidos, las tecnologías existentes no son aun plenamente satisfactorias para hacer frente al reto de reducir simultáneamente el consumo de combustibles y las emisiones de gases contaminantes. Es preciso, por tanto, seguir investigando en el desarrollo de catalizadores cada vez más eficaces, que nos permitan desterrar para siempre las nubes gris anaranjadas que producen los NOx en los horizontes urbanos.     

Referencias

1. Melissae Fellet. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 185−187 DOI: 10.1021/acscentsci.6b00098

2. S. P. Holland et al., Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 1111−1117 DOI: 10.1021/acs.est.5b05190

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