sisteme mecatronice moderne pentru tratarea emisiilor de nox
DESCRIPTION
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 1 SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX BUGEAN (Stănescu) Georgeta1 Conducători ştiinţifici: Prof.dr.ing. Constantin OCNĂRESCU, Ș.l.dr.ing. Florian PETRESCU REZUMAT: Stratul de ozon al planetei noastre se găseşte în partea superioară a atmosferei (stratosfera), la limita spaţiului cosmic, şi acţionează ca un scut, absorbind UVB (radiaţiile ultraviolete de tipul B) din energia venită de la soare sau din spațiul cosmic. UVB sunt foarte periculoase pentru oameni şi vegetaţie, producând arsuri de piele, cancer şi distrugând clorofila plantelor. Din păcate, CFC rămâne în stratosferă mult timp (are durata de existenţă de 50-100 ani), încetinind foarte mult refacerea stratului de ozon. Compusii NOx din atmosfera terestră sunt cei mai nocivi, și deși emisiile de noxe ale autovehiculelor sunt tot mai restricționate prin norme din ce ȋn ce mai severe, acestea sunt din ce ȋn ce mai multe, și nici nu e de mirare, avȃnd ȋn vedTRANSCRIPT
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014
1
SISTEME MECATRONICE MODERNE
PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX
BUGEAN (Stănescu) Georgeta1
Conducători ştiinţifici: Prof.dr.ing. Constantin OCNĂRESCU, Ș.l.dr.ing. Florian PETRESCU
REZUMAT: Stratul de ozon al planetei noastre se găseşte în partea superioară a atmosferei
(stratosfera), la limita spaţiului cosmic, şi acţionează ca un scut, absorbind UVB (radiaţiile
ultraviolete de tipul B) din energia venită de la soare sau din spațiul cosmic. UVB sunt foarte
periculoase pentru oameni şi vegetaţie, producând arsuri de piele, cancer şi distrugând clorofila
plantelor. Din păcate, CFC rămâne în stratosferă mult timp (are durata de existenţă de 50-100
ani), încetinind foarte mult refacerea stratului de ozon. Compusii NOx din atmosfera terestră
sunt cei mai nocivi, și deși emisiile de noxe ale autovehiculelor sunt tot mai restricționate prin
norme din ce ȋn ce mai severe, acestea sunt din ce ȋn ce mai multe, și nici nu e de mirare, avȃnd
ȋn vedere că «regele automobil» s-a ȋnmulțit de la cȃteva exemplare ȋn 1866 la circa un miliard
de autovehicule astăzi, ȋn vreme ce anual apar (sunt fabricate) alte noi zeci și zeci de milioane
de autovehicule. CUVINTE CHEIE: noxe, emisii de NOx, autovehicule, limitări noxe, norme europene
1 INTRODUCERE
În universul în care ne găsim şi noi (despre ce-i
în afara lui nu cunoaştem prea multe), există miliarde
de galaxii.
O galaxie este o grupare mare de stele (sori)
adică de sisteme solare; în medie o galaxie obijnuită
conţine aproximativ două miliarde de sori (de stele),
care pot avea sau nu planete în jurul lor.
Galaxia în care ne situăm noi poartă numele de
“Calea Lactee” adică “Calea Laptelui”.
Mai multe galaxii alcătuiesc împreună o
constelaţie.
Mai multe constelaţii alcătuiesc împreună un
scheletron (schelet format din galaxii si constelaţii).
Constelaţia din care face parte şi galaxia noastră se
cheamă “Constelaţia Fecioarei”.
Deci universul nostru cuprinde foarte multe
constelaţii; o constelaţie cuprinde mai multe galaxii,
iar o galaxie are circa 2 miliarde de sori.
În prezent cunoaştem datorită telescoapelor
moderne enorm de multe galaxii, dar numai 88
constelaţii au putut fi identificate de umanitate
(deocamdată).
1 Specializarea: Modelarea și Simularea Sistemelor
Mecanice Mobile, Facultatea IMST;
E-mail: [email protected]
În Univers, în “Constelaţia Fecioarei”, în
“Galaxia Calea Lactee”, se găseşte şi un soare (o
stea) care se cheamă “Soarele Helios” sau simplu
“Soarele”.
Helios este un adevărat sistem solar format din
mai multe planete ce gravitează (se rotesc) în jurul
lui.
“Proxima Centauri”, este cea mai apropiată stea
de soarele nostru şi se află la o distanţă de
aproximativ patru ani lumină (mai exact 4,22).
Ea face parte din sistemul solar “Alpha
Centauri”, un sistem solar similar cu al nostru.
Deci deși avem miliarde de miliarde de sori,
apropierea dintre ei (distanța medie dintre doi sori)
este de circa 4-5 ani lumină (ca sa ajungi deci de la
un soare la cel imediat vecin trebuie sa mergi cu o
navă care ar putea circula cu viteza luminii timp de 4
sau chiar cinci ani).
Cele opt planete ale sistemului nostru solar sunt
în ordine, plecând de la Soare către exterior: Mercur,
Venus, EARTH (PĂMÂNTUL), Marte, Jupiter,
Saturn, Uranus şi Neptun. Unii consideră că Pluto
este a noua planetă a sistemului nostru solar, dar el e
la fel de mic ca şi Ceres sau UB313, care sunt
consideraţi asteroizi, sateliţi, etc, adică orice altceva
dar nu planete (este ușor de presupus că a fost atras
de Helios și a rămas să graviteze ȋn jurul lui
asemenea unei planete, el fiind ȋnsă inițial un simplu
asteroid).
Prima observație ce poate fi făcută cu ușurință
este că haloul principal acoperă doar primele două
SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX
2
planete Mercur și Venus dar se apropie mult și de
următoarele două Pămȃnt și Marte.
Urmează mai multe runde de halouri ceva mai
disipate care bat pȃnă pe Jupiter.
De la Saturn către Neptun radiațiile solare de
lumină și căldură sunt mult diminuate. Dealtfel chiar
de la Jupiter planetele ȋncep să se răcească
considerabil.
Peste cȃteva miliarde de ani soarele va ȋncepe să
ȋmbătrȃnească, și ȋn procesul său de ȋmbătrȃnire se va
dilata foarte mult, halourile principale ajungȃnd să
ȋncălzească mult Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun.
Pe Terra va fi atunci aproape imposibil să se mai
locuiască din cauza căldurii extreme, și probabil la
fel și pe mica planetă Marte.
Terra este a treia planetă de la Soare, poziţie
favorabilă acum vieţii (nici prea cald nici prea frig,
lumină suficientă, energie medie corespunzătoare
vieții).
Planeta noastră pentru moment este unica
planetă din cele cunoscute care prezintă condiţii reale
de viaţă.
2 STADIUL ACTUAL
Pământul este înconjurat de un câmp magnetic
foarte puternic, care susţine viaţa pe Terra. Aceste
linii de forţă fac din planeta noastră una specială
(poate unica). Ele nu se pot vedea cu ochiul liber,
deoarece nu sunt situate în spectrul vizibil. Ȋn plus
Terra este ȋnconjurată de mai multe sfere de cȃmpuri
de unde electromagnetice, pe diverse frecvențe, sau
de diverse radiații, toate fiind menite să ne protejeze
de radiațiile neprietenoase venite de la soare sau din
spațiul cosmic. Scutul atmosferic, și cel de ozon
joacă și ele un rol esențial ȋn protecția noastră
ȋmpotriva radiațiilor gama, etc.
Deasupra continentelor şi oceanelor se află un
înveliş gros numit atmosfera, a cărui existenţă este
absolut necesară pentru desfăşurarea vieţii pe Terra.
Acest înveliş dinamic este într-o permanentă
interacţiune cu relieful, cu suprafaţa solului, a
oceanelor şi a gheţurilor, prin fluxuri permanente de
energie şi substanţă, asigurând mediul favorabil
apariţiei, dezvoltării şi menţinerii biosferei.
Stratul de ozon se găseşte în partea superioară a
atmosferei (stratosfera), la limita spaţiului cosmic, şi
acţionează ca un scut, absorbind UVB (radiaţiile
ultraviolete de tipul B) din energia venită de la soare
sau din spațiul cosmic.
UVB sunt foarte periculoase pentru oameni şi
vegetaţie, producând arsuri de piele, cancer şi
distrugând clorofila plantelor.
Problema subţierii acestui strat îşi găseşte o
rezolvare parţială prin înlocuirea agentului termic din
frigidere şi instalaţiile de aer condiţionat, precum şi a
gazului sub presiune din tuburile cu aerosoli (spray-
uri) cu gaze mai puţin dăunătoare. Substanţele din
grupa clorofluorcarbonului (CFC), care se foloseau
în acest scop până nu demult (mai cunoscute sub
denumirea de freon), sunt responsabile ȋn mare parte
pentru distrugerea stratului de ozon şi au un
pronunţat efect de seră, iar folosirea acestora este
restricţionată sau interzisă în multe ţări.
Din păcate, CFC rămâne în stratosferă mult timp
(are durata de existenţă de 50-100 ani), încetinind
foarte mult refacerea stratului de ozon.
Scutul de ozon se reface permanent prin
fulgerele care străbat atmosfera terestră. Circa 300
fulgere pe secundă se produc în medie la nivelul
stratosferei, ionizând puternic oxigenul din
stratosferă şi refăcând astfel în permanenţă stratul de
ozon ce înconjoară Terra.
O mare parte din ozon se distruge pentru
apărarea planetei noastre. La un moment dat
cantitatea produsă era mai mică decât cea consumată,
astfel încât stratul de ozon s-a subţiat şi s-a găurit.
Ploile erau şi ele mai puţine (deci şi fulgerele
mai puţine) din cauza tăierii masive a pădurilor
terestre.
Odată cu reîmpădurirea planetei ploile au
început să se înmulţească şi odată cu ele şi fulgerele
produse şi deci şi cantitatea de ozon produsă. Scutul
a început să se refacă în mod natural, iar gaura din el
se micşorează treptat.
Din păcate ȋnsă, ȋn țările mai puțin dezvoltate,
au reȋnceput tăierile masive de păduri, planeta fiind
din nou pusă ȋn pericol.
Procesul de protecţie a pădurilor cât şi cel de
reîmpăduriri trebuie să continue organizat prin
programe guvernamentale. Fiecare copăcel plantat
dar şi îngrijit salvează echilibrul “planetei noastre
mamă.”
Pădurile generează permanent stratul de ozon
direct și indirect prin generarea norilor și apoi a
ploilor și a fulgerelor.
Pădurile ȋnsă dau și oxigenul atȃt de necesar
vieții, și ȋnghit carbonul din aer și diverșii săi
compuși, extrem de toxici vieții ȋn general, oamenilor
și animalelor.
Acești compuși au apărut și apar ȋn special de la
arderile din marile ȋntreprinderi, din centralele
termice pe combustibili fosilici (cărbune, lemn,
petrol, gaze), și mai ales din cauza autovehiculelor
rutiere, ȋn speță a automobilelor cu motoare termice
cu ardere internă (ȋn special), parcul auto planetar
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014
3
atingȃnd ȋn prezent un nivel uriaș de circa 1 miliard
de automobile aflate ȋn circulație simultan.
Cu toate măsurile luate de limitare a emisiilor de
noxe, acestea sunt din ce ȋn ce mai multe, și nici nu e
de mirare, avȃnd ȋn vedere că «regele automobil» s-a
ȋnmulțit de la cȃteva exemplare ȋn 1866 la circa un
miliard de autovehicule astăzi, ȋn vreme ce anual
apar (sunt fabricate) alte noi zeci și zeci de milioane
de autovehicule.
Regele automobil care ne-a transportat deja 150
ani, ne și distruge sănătatea noastră și a planetei zi de
zi.
Aproximativ 300 de fulgere pe secundă străbat
atmosfera terestră în medie. Fulgerul este un
exemplu de plasmă prezentă la suprafaţa terestră. El
reprezintă o descărcare electrică la o tensiune ce
depăşeşte 100 milioane volţi generând un curent
electric de peste 30000 amperi, emiţând lumină, unde
radio, radiaţii X, radiaţii gamma, un zgomot puternic
(tunetul) şi producând o ionizare puternică a
atmosferei terestre cu desfacerea oxigenului în ioni şi
producerea de ozon în cantităţi mari.
Fulgerele crează, alimentează şi menţin scutul
de ozon de la nivelul stratosferei.
Tot ele generează la înălţimi mai mari un scut
de unde radio de jur împrejurul Terrei.
Se mai produc şi alte două scuturi terestre, unul
de radiaţii X, iar altul de radiaţii gamma. Toate
aceste patru scuturi au rolul de a apăra planeta
noastră de radiaţiile distrugătoare venite din spaţiul
cosmic (în general).
Dacă subţierea stratului de ozon este
responsabilă pentru o parte a fenomenului de
încălzire globală, lăsând mai multă energie solară să
ajungă pe Pământ, creşterea cantităţilor de oxid de
azot, metan, monoxid şi dioxid de carbon din
atmosferă amplifică acest fenomen prin producerea
accelerată a efectului de seră, ceea ce azi poartă
numele de “încălzirea globală”, reprezentând
problema numărul unu a planetei.
Datorită încălzirii globale se modifică clima
planetei. La noi, şi peste tot în zonele temperate se
schimbă aspectul anotimpurilor; iarna se lungeşte;
vara este mai caldă; temperaturile au variaţii mai
mari şi mai bruşte.
Se topeşte ghiaţa de la polii Nord şi Sud, lăsând
muritori mulţi pinguini dar şi urşi albi (polari);
nivelul apei creşte iar uscatul se micşorează. Clima
se deteriorează; la fel și atmosfera terestră, apele și
oceanele. Se amplifică și ȋnmulțesc furtunile.
Canicula vara este uneori insuportabilă (în loc de
maxime de 25-280 C am avut chiar maxime de 44
0
C).
Animalele nevinovate şi neputincioase parcă ne
strigă din ultimile lor puteri “Oameni buni ce faceţi
cu Planeta Albastră?!...”
Urşii polari rămaşi izolaţi pe câte o banchiză de
gheaţă (sortiţi să moară de foame înainte de a se topi
toată gheaţa iar ei să se înece) “parcă îşi iau adio de
la noi!” La fel şi pinguinii, dezorientati, plutesc în
derivă pe câte o bucată de gheaţă până se epuizează
de foame şi oboseală, sau până li se topeşte toată
gheaţa.
În urmă cu sute de mii de ani, atmosfera planetei
noastre conţinea 30% oxigen. Astăzi, din cauza
despăduririlor masive şi a poluării cu bioxid de
carbon cantitatea de oxigen din atmosfera
Pământului a scăzul la 21%.
În oraşele mari poluarea este mult mai mare,
astfel cantitatea de oxigen poate să scadă până la
18%. Corpul uman funcţionează optim la un procent
de 30% oxigen, dar s-a adaptat la 21%; dacă acest
procent scade la 18-21% organismul este afectat
negativ. În zilele noastre, sângele omului transportă o
cantitate mult mai mică de oxigen, ţesuturile ducând
o permanentă lipsă de oxigen, și deci sistemul
imunitar este mult slăbit, ca și cel circulator,
respirator, și mai ales sistemul nervos central
(oamenii au tendința de a rezista mult mai puțin la
factorii de stres ; se ȋnmulțesc și bolile nervoase, pe
lȃngă cele respiratorii).
Cantitatea scăzută de OXIGEN din atmosfera
terestră, procentul mult diminuat (de-a lungul
timpului oxigenul atmosferic s-a înjumătăţit; în
ultimii 300 ani a continuat să scadă cu încă câteva
procente) reprezintă de fapt principala problemă a
planetei noastre, alături de încălzirea globală.
Ambele probleme majore sunt cauzate de
defrişările masive şi de procesul de industrializare
globală prin care s-a ajuns la procentul crescut de
bioxid de carbon din atmosferă în detrimentul
oxigenului.
“Tehnologiile din ce în ce mai numeroase,
poluante şi extrem de poluante au făcut în ultimii 300
ani ca planeta noastră să nu mai fie la fel de albastră
ca la început!”
Poluarea a început odată cu industrializarea
planetei în urmă cu circa 300 ani. Poluarea cea mai
mare şi permanentă se datorează industriei grele şi
automobilului, dar un rol în distrugerea ozonului l-au
jucat şi exploziile experimentelor atomice şi
nucleare.
Deşi nu se anunţă oficial, este cunoscut faptul că
distrugerea masivă a scutului de ozon cu găurirea lui,
dar şi principalele dezechilibre ale planetei, se
datorează testelor cu arme nucleare.
SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX
4
Ele au produs şi mutaţiile, malformaţiile şi
anomaliile genetice, înmulţind bolile inclusiv pe cele
incurabile.
Au otrăvit solul, apa, aerul şi organismele pe
termen lung.
Automobilele moderne, electrice, cu hidrogen,
sau mixte (hibrid) vor rezolva problema poluării cu
monoxid şi dioxid de carbon. Hidrogenul prin ardere
produce doar apă pe care o redă circuitului său
natural.
Aproape pe tot globul se renunţă la
combustibilii din cărbune (extrem de poluanţi). Încet,
dar sigur, se trece de la petrol şi gaze, la energia
electrică obţinută din hidrogen, nuclear, sau direct de
la Soare, prin captarea şi conversia luminii în energie
electrică cu ajutorul panourilor cu celule foto-
voltaice.
Mult mai puternice și mai rentabile sunt ȋnsă
fermele solare, construite pe o suprafață mai mare,
care au un turn central și de jur-ȋmprejurul lui cȃt mai
multe oglinzi parabolice focalizate toate către turnul
central.
Oglinzile reflectă energia luminoasă concentrată
primită de la soare focalizând-o toate pe o zonă a
turnului unde se află un cazan cu apă sau alt lichid
(agent) care este supraîncălzit şi care va acţiona o
turbină cu aburi care va mişca un generator electric
(sau un grup stirling-generator electric). Puterea
instalată a acestor ferme solare este foarte mare.
Un randament foarte bun ȋl au și fermele
eoliene, care pot fi montate aproape ȋn orice loc, cu
condiția ca ȋn zona respectivă să bată vȃntul
permanent.
Cu cȃt vȃntul este mai puternic și de viteză mai
mare și energia electrică produsă va fi mai mare.
Turbinele de vânt moderne produc o putere
situată între 600 kW şi 5 MW, cele mai utilizate
devenind cele de 1.5–3 MW putere la ieşire, fiind
mai simple constructiv şi mai potrivite pentru uzul
comercial. Astăzi ȋnsă deja au fost inventate și
construite urmȃnd a fi și implementate turbine
eoliene de 10-30 ori mai puternice, care au un
randament energetic mult superior, fiind extrem de
eficiente la montarea lor ȋn locuri prielnice, deoarece
numai 10 astfel de dispozitive pot genera energia
dată de o centrală (un reactor) nucleară pe fisiune.
Numai 100 de astfel de stȃlpi pot genera energia
dată de circa 10 reactoare nucleare (reprezentȃnd o
putere instalată de circa 6 Gw), ceea ce reprezintă
necesarul energetic al unei țări mari puternic
dezvoltate și industrializate.
Biomasa nu poate fi eliminată imediat, aşa cum
ar fi de dorit, din simplul motiv că reprezintă şi azi
un procent energetic foarte mare, şi pentru moment
omenirea fiind în plină dezvoltare şi expansiune îşi
creşte permanent consumurile energetice, fără ca
noile surse energetice apărute să aducă procente
semnificative, şi asta în condiţiile în care rezervele
petroliere sunt pe cale de dispariţie.
Deşi nu s-a spus, şi nu se comunică oficial, din
1970 planeta noastră a intrat într-o semicriză
energetică, cu sincope, cu creşteri şi descreşteri,
rezolvată local, parţial, dar nu definitiv. Cea mai
mare creştere energetică procentuală de atunci şi
până acum s-a realizat prin energia nucleară de
fisiune (19-20%), şi prin biomasă (circa14%).
Energetica nucleară şi biomasa au reuşit să preia
astfel împreună circa 33-34% din consumul energetic
mondial. Ambele sunt surse energetice sustenabile,
independente (biomasa fiind şi regenerabilă în
totalitate).
Din fericire astăzi și energiile eoliene și solare
au fost dezvoltate și implementate planetar ȋn
cantitate foarte mare, crescȃnd ȋn ultimii trei-patru
ani de la 1% la circa 10-15%.
Energiile clasice reprezintă pentru moment dar
şi pentru viitorul imediat o rezervă comodă, sigură, şi
la îndemână. Biocombustibilii vor fi folosiţi din ce în
ce mai mult, aşa cum am făcut-o din cele mai vechi
timpuri, atâta vreme cât nu reuşim să descoperim o
energie alternativă suficientă, ieftină, comodă,
directă, regenerabilă, nepericuloasă, nepoluantă, etc.
Gazele, continuă să fie o rezervă naturală
strategică a planetei. Indiferent dacă sunt asociate cu
rezervele de petrol, sau se găsesc în zăcăminte
separate, ele au jucat un rol esenţial în ultimii circa
150 ani şi vor fi la fel de importante şi pe viitor. Dacă
la început erau tratate cu dispreţ, utilizându-se numai
petrolul, ele fiind arse sau pur şi simplu împrăştiate
în atmosferă, astăzi gazele sunt utilizate atât
industrial cât şi pentru nevoile menajere. Ar fi bine să
le ardem numai pentru gătit şi încălzirea s-o facem
electric sau în alt mod pentru a le consuma în
cantităţi mai mici şi a le proteja şi conserva pentru
mai mult timp, ne gândim noi toţi de cele mai multe
ori; da, dar dacă curentul electric provine nu de la
noile tehnologii energetice (solare, eoliene, etc), sau
de la hidrocentrale, sau centrale electrice nucleare,
atunci curentul electric consumat pentru protejarea
rezervelor de gaze naturale provine de cele mai multe
ori de la gazele arse (sau petrolul ars) în
termocentrale electrice. În acest caz nu va rezulta nici
o economie de gaze ci dimpotrivă o creştere a
consumului real de gaze naturale arse (datorită şi
pierderilor de conversie).
Acelaşi lucru se întâmplă atunci când eliminăm
un motor clasic pe benzină, motorină sau gaz, şi-l
trecem pe hidrogen ori îl înlocuim cu unul electric.
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014
5
Autovehiculul consumă curent electric din nişte
acumulatori moderni, care se încarcă de la prize (mai
modern direct prin unde electromagnetice, sau prin
alt sistem fără prize şi conexiuni).
Curentul este produs în proporţie de 66% din
arderea gazelor şi sau a petrolului în centralele
termice, iar curentul electric solicitat va produce un
consum suplimentar de gaze naturale, oricum mai
mare decât cel de petrol sau gaze pe care l-ar fi
produs motorul clasic de pe autovehiculul respectiv.
În final în loc de o economie de gaze, am produs
o gaură suplimentară în rezervele strategice de gaze
naturale ale planetei.
Să presupunem că în loc de motorizarea
electrică alegem un motor cu hidrogen care să ia
locul unuia clasic pe hidrocarburi (petrol, gaze).
Energia echivalentă (produsă până la urmă majoritar
tot din gaze arse) consumată pentru obţinerea
hidrogenului este mai mare decât energia donată de
motorul termic cu hidrogen, astfel încât avem deja
din start un randament real nefavorabil gazelor, care
se vor consuma suplimentar prin înlocuirea efectuată.
Însă lucrurile nu se opresc doar aici; în cazul
hidrogenului, el trebuie lichefiat şi îmbuteliat, iar
energia echivalentă necesară acestei operaţiuni
suplimentare este la ora actuală de circa zece ori mai
mare decât cea obţinută prin arderea hidrogenului în
motorul termic adaptat.
Altfel spus (mai plastic) prin înlocuirea unui
motor clasic cu hidrocarburi cu unul electric,
consumul echivalent (real) de gaze (şi sau petrol)
creşte de circa 1,3 ori în loc să scadă (la scară
planetară), iar dacă motorul clasic se va înlocui cu
unul pe hidrogen atunci consumul de gaze (sau
hidrocarburi arse) va creşte de circa 11,3 ori.
Pentru ca să putem introduce cât mai multe
motoare electrice, cu un randament real, şi cu
scăderea consumului efectiv de hidrocarburi la scară
planetară, este necesară scăderea procentelor de gaze
naturale şi petrol utilizate pentru încălzire şi
producerea de energie electrică, prin creşterea
numărului de centrale nucleare, de centrale eoliene,
solare, hidro, etc.
Procedurile nu sunt aşa uşoare cum ar părea la
prima vedere, deoarece, atunci când anunţăm cu
mândrie că a crescut numărul centralelor eoliene şi
solare cu circa 30%, această creştere se raportează la
cele existente, şi chiar fără să le mai punem la
socoteală pe cele uzate, o creştere de 30% din cele
circa 2-3 procente de regenerabile noi existente
înseamnă o creştere reală anuală absolută a ponderii
planetare a noilor energii regeneabile de la 2-3% la
2,7-4%, adică o creştere în termeni reali a noilor
energii de 0,7-1%, care ar însemna foarte puţin în
condiţiile menţinerii consumului planetar constant.
Dacă consumul planetar ar fi constant cu o creştere
anuală de circa 0,7% noile energii ar putea să le
înlocuiască pe cele obţinute din arderea
hidrocarburilor în circa 95 ani, iar până atunci
acestea s-ar putea epuiza cu mult înainte, planeta şi
omenirea intrând astfel într-o criză extrem de gravă,
care nu ar mai fi doar energetică.
S-ar pune efectiv problema supravieţuirii, a
întoarcerii la peşteri, a unor războaie pentru
exterminarea rasei umane, care şi aşa nu stă pe loc ci
se înmulţeşte permanent solicitând tot mai multe
resurse planetare inclusiv energetice.
Problema este mult mai serioasă decât pare la
prima vedere, deoarece consumul energetic al
planetei nu staţionează nici el ci creşte cu circa 1-3
procente anual.
O creştere a consumului energetic anual al
planetei de numai 0,7-1% anulează automat creşterea
noilor regenerabile, iar creşterea suplimentară de
consum energetic face ca de fapt noile regenerabile
să scadă anual în pondere planetară, ajungând de la
4-5% la 2-3% şi probabil chiar mai jos pe viitor, spre
uimirea celor care aşteptau să le vadă crescând
efectiv deoarece sunt tot mai multe.
Soluţia evidentă este ca noile regenerabile să
crească anual într-un ritm şi mai rapid, cel puţin prin
dublarea lor anuală, adică raportat la nivelul lor să
sufere o creştere anuală nu de 30% ci de minim
100%.
Astfel putem pune planeta pe un făgaş normal,
pornind evident de la noi energii regenerabile,
nepoluante.
Separat vom utiliza în continuare şi
biocombustibilii din ce în ce mai mult, dar şi noi
centrale energetice nucleare alături de cele vechi
existente.
E bine să creştem şi centralele hidro acolo unde
mai este posibil.
Orice nouă sursă energetică e bine venită!
Se anunţă permanent descoperirea unor noi
zăcăminte de gaze naturale dar şi de petrol.
Toate trebuiesc luate serios în calcul,
raţionalizate, consumate imediat, ori conservate
strategic pentru a fi consumate ceva mai târziu. Nici
o rezervă descoperită nu trebuie abandonată sau
desconsiderată. Cel puţin pentru moment nu ne
putem permite a desconsidera rezervele clasice de
energie.
„Ce-i în mână nu-i minciună!”
Industria gazelor a trecut într-o nouă etapă, cea a
exploatării resurselor neconvenţionale. Acestea au
transformat SUA în cel mai mare producător de gaze
SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX
6
din lume. Estimările instituţiilor de profil arată că
rezervele de gaze ale omenirii sunt de fapt cu peste
40% mai mari decât se ştia până acum, datorită
resurselor neconvenţionale.
Nu degeaba gazul natural este numit „aurul
albastru". La fel ca şi ţiţeiul, în cazul căruia
sinonimul „aurul negru" nu mai miră pe nimeni,
gazele au devenit vitale pentru civilizaţia umană. În
trecut, marile explorări vizau descoperiri de petrol şi,
de multe ori, când se găseau doar gaze, dezamăgirea
era profundă, iar gazele erau arse pur şi simplu în
atmosferă fără nici-un rost. Astăzi se alocă miliarde
de euro pe explorări şi de zeci de ori mai mult pentru
extracţia de gaze.
Însă industria a evoluat atât de repede, încât era
gazelor tradiţionale a fost depăşită şi acum se extrag
deja resurse declarate neconvenţionale. Gazele
neconvenţionale sunt de fapt tot gaze naturale, însă
sunt extrase din roci dure şi greu de explorat. Prin
urmare, spre deosebire de sondele verticale clasice,
noua categorie de resurse are nevoie de o altă
tehnologie.
SUA, lider mondial în producţia de gaze
neconvenționale (de șist)
În ultimii ani, americanii au luat un avans
considerabil în această zonă şi au dezvoltat
echipamente care par de domeniul SF-ului.
Atȃt de controversate, gazele de șist au reușit
deja să aducă o contribuție ȋnsemnată (energetică) la
nivel planetar.
Practic, sondele, după ce străpung vertical solul,
sunt introduse orizontal în straturi adânci de roci tari.
Acolo sunt produse fisuri unde se strâng gazele,
care sunt apoi colectate şi aduse la suprafaţă.
Tehnologia de ultimă generaţie permite extracţia
din şisturi bituminoase, din argilă, din roci nisipoase
şi din straturi de cărbune.
Se vorbeşte tot mai des despre gazele de şist,
cum sunt denumite aceste noi rezerve ultra-strategice
(deoarece se extrag şi din şisturile bituminoase).
Oricum ar fi ele vin să mai lungească viaţa
rezervelor energetice tradiţionale. Este o bulă de
oxigen pentru omenire, deoarece în intervalul de
timp câştigat putem încerca şi pune la punct noi
tehnologii energetice.
În 2003, Consiliul Naţional de Petrol din SUA
estima că America de Nord ar putea avea rezerve de
1,1 trilioane de metri cubi de gaze de şist. În acest an,
institutul Advanced Resources International din SUA
arăta că de fapt acolo ar putea fi de 50 de ori mai
multe resurse.
În luna aprilie, Administraţia pentru Informaţii
Energetice din SUA a emis un raport potrivit căruia,
din anul 2000 încoace, dezvoltarea sectorului
resurselor neconvenţionale a relevat că rezervele de
gaze ale omenirii sunt de fapt cu peste 40% mai mari
decât se ştia până acum.
Deja, Canada a descoperit gaze de şist, adică
gaze neconvenționale, în Apalași și în Columbia
Britanică.
În Polonia se pare se află cele mai mari
zăcăminte de gaze de șist din Europa, fiind estimate
la 5.300 de miliarde de metri cub.
Iar în Ucraina rezervele de gaz de șist se ridică
se pare la cel puțin 30 de trilioane de metri cubi (o
rezervă energetică planetară uriașă).
3 EMISIILE PERICULOASE DATORATE
AUTOVEHICULELOR RUTIERE ȘI
REACȚIILE LOR CU OZONUL
Automobilele clasice, echipate cu motoare
termice, de regulă cu ardere internă, produc ȋn
permanență extrem de multe noxe, datorate
proceselor de ardere a hidrocarburilor ȋn cadrul
motoarelor termice. Ȋn continuare se vor prezenta
principalele reacții ce generează noxele cele mai
periculoase organismului uman.
Ozonul e format din 3 atomi de oxigen: un atom
normal, un ion pozitiv şi un ion negativ, legaţi toţi
trei între ei, având aceiaşi structură cu cea a
moleculei de apă. În stratosferă în 20-30 minute
decade iar în oxigenul diatomic cunoscut 2O33O2 (dacă între timp nu are loc o altă reacţie).
Reacția cu un metal (de exemplu, cuprul):
Reacţia cu azotul (de fapt cu monoxidul de
azot):
Din oxid de azot și ozon rezultă bioxid de azot
și oxygen.
NO + O3NO2 + O2
Bioxidul de azot reacționează și el cu ozonul
rezultȃnd trioxid de azot și oxigen:
NO2 + O3NO3 + O2
Acidul azotic reacționează cu ozonul rezultȃnd
nitrat de amoniu, oxigen și apă:
2NH3 + 4O3NH4NO3 + 4O2 + H2O
Intrȃnd ȋn reacție și cu metalele, acizii, etc,
ozonul fixează toate aceste noxe, și le face
inofensive, sau chiar le elimină treptat din atmosferă.
Ȋn lipsa lui, și cu un miliard de motoare termice din
ce ȋn ce mai puternice și mai poluante am fi tot mai
bolnavi.
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014
7
Ozonul reacţionează cu acidul clorhidric în
prezenţa biclorurii de staniu, pe care o transformă în
clorură de staniu; se mai obţine şi apă.
3SnCl2 + 6HCl + O33SnCl4 +3H2O
Este numai un exemplu care arată cum ozonul
transformă un acid extrem de periculos (acidul
clorhidric, care arde practic orice) în apă.
Dacă hidrogenul arde în prezenţa oxigenului se
obţine apa, dar dacă arderea hidrogenului se face nu
în oxigen ci în ozon se obţine gruparea HO2
instabilă:
H + O3HO2 + O
Două astfel de grupări reacţionează între ele
obţinându-se gruparea stabilă H2O4.
2HO2H2O4
Bioxidul de potasiu reacționează cu ozonul
transformȃndu-se ȋn trioxid de potasiu, ozonul
revenind la forma stabilă și anume oxigenul.
KO2 + O3KO3 + O2
Hidroxidul de potasiu reacționează și el cu
ozonul; se obține tot trioxid de potasiu, oxigen și apă:
2KOH + 5O32KO3 + 5O2 + H2O
Este extraordinară acțiunea ozonului, ȋn
atmosfera terestră, el reușind să reacționeze cu
aproape toate noxele periculoase sau extrem de
periculoase, inclusiv monoxizi, acizi, etc, și obținȃnd
ȋntotdeauna ȋn urma reacțiilor chimice produse
compuși stabili nepericuloși, care de cele mai multe
ori sunt chiar compuși sau elemente bune, necesare,
cum ar fi apa sau oxigenul.
Atragem ȋncă odată atenția că distrugȃnd pădurile,
distrugem direct și indirect, scutul protector de ozon,
care are extraordinar de multe funcții esențiale vieții
și protejării acesteia!
4 SISTEME DE TRATARE A EMISIILOR
DE NOX
Motoarele diesel, comparativ cu motoarele pe
benzină, datorită specificului arderii amestecului aer-
combustibil, produc emisii mai mari de oxizi de azot
și de particule. Acestea sunt emisii poluante cu efect
nociv asupra mediului înconjurător și a omului.
Normele de poluare au scopul de a reduce
emisiile poluante ale autovehiculelor. În Uniunea
Europeană norma de poluare Euro 6 va intra în
vigoare de la 1 Ianuarie 2015, pentru noile modele de
automobile (fig. 1).
Fig. 1. Limita de emisii de NOx pentru automobile
cu motoare diesel (g/km)
O caracteristică importantă a normei de poluare
Euro 6 pentru motoare diesel de automobile este
reducerea limitei de NOx de la 0.18 la 0.08 g/km.
Pentru a îndeplini această normă motoarele diesel
curente de automobile au nevoie de sisteme
adiționale de post-tratare a gazelor de evacuare.
Momentan sunt identificate două tehnologii care pot
fi aplicate motoarelor diesel Euro 6:
1.catalizator/filtru de NOx (en: NOx trap)
2.sistem de injecție de uree în evacuare
(AdBlue)
Prima metodă, catalizatorul de NOx, se aplică în
general motoarelor diesel de cilindree mică și medie,
cu capacitatea cilindrică mai mică de 2 litri. Mai
departe vom discuta despre sistemul de injecție de
uree în circuitul de evacuare (AdBlue). Acest sistem
se poate utiliza pe orice motor diesel, dar fiind mai
costisitor, se pretează mai mult la motoarele cu
cilindree mare. De reținut că acestă tehnologie se
utilizează deja în industria autovehiculelor de
transport.
Procesul de reducere a oxizilor de azot din
gazele de evacuare, utilizând o soluție pe bază de
uree, se numește reducere catalitică selectivă.
Denumirea consacrată a sistemul de injecție de
AdBlue este SCR – Selective Catalityc Reduction
(fig. 2).
Fig. 2. Automobil cu sistem AdBlue
SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX
8
Într-un sistem de injecție de uree (SCR)
amoniacul este utilizat pentru reducerea oxizilor de
azot (NOx).
În stare liberă amoniacul (NH3) este toxic. Din
acest motiv se utilizează o soluție pe bază de apă și
uree (CO(NH2)2), conținutul de uree fiind de
aproximativ 32.5%.
Acestă soluție este stabilă din punct de vedere
chimic, punctul de îngheț fiind la -11 °C. Denumirea
comercială, în Europa, a acestei soluții cu uree este
AdBlue.
Ureea CO(NH2)2 se obține prin procedee
industriale, prin combinarea bioxidului de carbon
(CO2) și a amoniacului (NH3) la temperaturi și
presiuni îmalte (150 °C, 50 bari). Substanța rezultată,
ureea, este solidă, sub formă de cristale incolore,
solubile în apă (H2O).
Sistemul de injecție cu uree este relativ complex
și implică costuri adiționale relativ mari. Acest
sistem conține un rezervor de uree, sistem de
alimentare cu pompă electrică, modul electronic de
control (calculator), injector și catalizator. Adițional
sistemul mai poate fi prevăzut și cu un senzor de
oxizi de azot după catalizator, care măsoară rata de
conversie a catalizatorului (fig. 3).
Fig. 3. Componentele principale ale sistemului de
injecție de AdBlue (SCR)
1. injector uree
2. catalizator SCR
3.modul electronic de control (calculator)
4. rezervor de uree
Rezervorul de uree este prevăzut cu un senzor
de nivel pentru a alerta conducătorul auto în privința
necesității alimentării cu uree. De asemenea, datorită
temperaturii de înghețare a soluției AdBlue (aprox. -
11 °C) rezervorul mai este prevăzut și cu o rezistență
de încălzire. Comanda rezistenței de încălzire se face
de către modului electronic de control pe baza
informației primite de la senzorul de temperatură din
rezervor (fig. 4).
Fig. 4. Denoxtronic – sistem de tratare a
emisiilor de NOx prin injecție de AdBlue
1. sistem de alimentare (pompă AdBlue)
2. rezervor AdBlue
3. filtru
4.senzor de temperatură gaze de evacuare
5. senzor de nivel soluție AdBlue
6. modul electronic de control (DCU)
7.ieșiri modul electronic de control (comandă
injector, activare rezistență de încălzire, etc.)
8.intrări modul electronic de control (senzor de
temperatură, nivel AdBlue, senzori temperatură gaze
de evacuare, senzor de NOx, etc.)
9. comunicare protocol CAN
10. diagnoză protocol CAN
11. injector AdBlue
12. senzor de NOx
13. catalizator de oxidare (DOC)
14. catalizator de reducere NOx (SCR)
15.catalizator de oxidare (neutralizare amoniac)
Bosch comercializează către producătorii de
automobile sisteme complete de injecție de AdBlue
numite Denoxtronic. Modulul electronic de control
(DCU) comunică prin intermediul magistralei CAN
cu restul calculatoarelor de pe automobil (injecție,
ABS/ESP, BCM, etc.). In funcție de punctul de
funcționare al motorului termic și pe baza
informațiilor primite de la senzori, modulul
electronic de control (DCU) comandă injecția de
AdBlue în sistemul de evacuare (figurile 5-7).
Fig. 5. Modul electronic Fig. 6. Injector AdBlue
control injecție AdBlue (DCU)
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014
9
Fig. 7. Sistem de alimentare AdBlue (pompă, filtru)
Utilizând amoniacul (NH3) ca agent de
reducere, sistemele SCR reduc semnificativ oxizii de
azot din gazele de evacuare. În general, un motor
diesel Euro 6 pentru a putea atinge limitele impuse
emisiilor poluante, conține următoarele sistemel de
post-tratare a gazelor de evacuare:
•catalizator de oxidare (reducere CO, HC, NO,
conversie NO)
• filtru de particule (reducere PM)
• catalizator SCR (reducere NO, NO2)
•catalizator de oxidare amoniac (reducere NH3
rezidual)
Reacțiile chimice principale ce au loc ȋntr-un
astfel de sistem se pot urmări ȋn figura 8.
Fig. 8. Reacțiile chimice complete ale unui sistem de
injecție AdBlue (SCR)
În catalizatorul de oxidare (DOC) au loc
reacțiile de reducere a hidrocarburilor (HC),
monoxidului de carbon (CO) și a oxizilor de azot
(NO).
2NO + O2 → 2NO2 monoxidul de azot (NO)
combinat cu oxigenul (O2) este convertit în bioxid de
azot (NO2)
2CO + O2 → 2CO2 monoxidul de carbon (CO)
combinat cu oxigenul (O2) este convertit bioxid de
carbon (CO2)
4HC + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
Hidrocarburile nearse (HC) în prezența
oxigenului (O2) sunt convertite în bioxid de carbon
(CO2) și apă (H2O).
După catalizatorul de oxidare are loc injecția de
Adblue (uree). După injector, gazele și soluția
AdBlue trec printr-un mixer (sită metalică care are
rolul de a omogeniza amestecul) și intră în
catalizatorul de hidroliză. Acesta are rolul de a
extrage amoniacul (NH3) din soluția AdBlue.
Amoniacul (NH3) se obține prin două reacții,
una de piroliză și a doua de hidroliză:
CO(NH2)2 → NH3 + HNCO (piroliză)
ureea (CO(NH2)2) este descompusă în amoniac
(NH3) și acid izocianic (HNCO)
HNCO + H2O → NH3 + CO2 (hidroliză)
acidul izocianic (HNCO) rezultat în urma reacției de
piroliză, prin combinație cu apa (H2O), formează
amoniac (NH3) și bioxid de carbon (CO2)
Catalizatorul SCR conține metale, în special
cupru (Cu) și fier (Fe), în prezența cărora au loc
reacțiile de reducere a oxizilor de azot (NO și NO2),
cu ajutorul amoniacului (NH3). În urma reacțiilor
produsele rezultante sunt apa (H2O) și azotul (N2).
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O (1)
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O (2)
2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O (3)
Reacția (2) are loc la temperaturi joase, sub
300°C iar reacțiile (1) și (2) la temperaturi mai înalte,
de peste 550°C.
Catalizatorul de oxidare a amoniacului are
rolul de a neutraliza, prin oxidare, amoniacul (NH3)
care nu a reacționat în interiorul catalizatorului SCR.
Altfel acesta ar fi fost eliberat în atmosferă cu impact
toxic asupra mediului înconjurător.
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
Un astfel de catalizator este principala
componentă a sistemului de post tratare a gazelor
(fig. 9-10).
SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX
10
Fig. 9. Un sistem de postratare a gazelor de evacuare
motor diesel (pretabil Euro 6)
1. catalizator de oxidare (DOC)
2. filtru de particule
3. catalizator hidroliză
4. catalizator SCR + oxidare amoniac
Componența chimică a gazelor de evacuare:
a – PM, CO, HC, NOx
b – PM, NOx
c – NOx
d – CO(NH2)2
e – N2, CO2, H2O
Legenda:
PM – particule, CO – monoxid de carbon, HC –
hidrocarburi, NOx – oxizi de azot, CO(NH2)2 – uree,
N2 – azot, CO2 – bioxid de carbon, H2O – apă.
Fig. 10. Un alt sistem de postratare a gazelor de
evacuare motor diesel (pretabil Euro 6)
5 CONCLUZII
Legislația ȋn vigoare reglementează mai multe
tipuri de emisii de gaze nocive, inclusiv oxizi de azot
(NOx) și pulberi ȋn suspensie (PM), iar importanța
scăderii nivelului de Nox și PM nu poate fi
subestimată.
Pulberile ȋn suspensie reprezintă particule ȋn
sine, funingine și fum (separat de mirosul neplăcut
creat), ce pot provoca iritații și chiar leziuni
pulmonare, cancer, boli de inimă, infarct miocardic,
sau cerebral.
Pe de altă parte oxizii de azot sunt responsabili
pentru crearea ploilor acide, precum și pentru
producerea de smog și eventual ozon la nivelul
solului.
Dacă ozonul de mare altitudine, natural, este
componenta vitală a scuturilor terestre, ozonul
chimic amestecat cu smog de la nivelul solului,
nenatural, nu este de dorit, dovedindu-se tot un
produs toxic pentru sistemul respirator uman.
Chiar dacă normele ȋn vigoare devin tot mai
drastice, ele trebuiesc respectate, pentru a putea
menține un echilibru minim dezvoltării exponențiale
a motoarelor termice cu ardere internă de astăzi.
Cu cȃt energia verde va lua locul celei pe
hidrocarburi, poluante și ȋn curȃnd epuizabilă, se va
trece treptat la ȋnlocuirea motoarelor termice cu cele
electrice. Acum nu este posibil deoarece poluarea
prin arderea hidrocarburilor ȋn termocentrale este mai
mare decȃt cea din motoarele termice cu ardere
internă.
Biomasa, care poate ȋnlocui permanent
combustibilii fosilici pe cale de dispariție, fiind tot
poluantă, nu reprezintă practic decȃt un mijloc
energetic de siguranță provizorie.
La fel și controversatele gaze de adȃncime și de
șist. Reprezintă o soluție tranzitorie, de rezervă, dar
nu sunt soluția optimă pentru planeta noastră,
aducȃnd tot o energie poluantă.
6 BIBLIOGRAFIE
[1]. Petrescu F.I., Petrescu R.V., Motoare termice,
Create Space publisher, USA, October 2012, ISBN
978-1-4802-0488-1, 164 pages, Romanian edition.
[2]. Petrescu F.I., Petrescu R.V., Perspective
energetice globale, Create Space publisher, USA,
December 2011, ISBN 978-1-4681-3082-9, 80
pages, Romanian edition.
[3]. AdBlue - Sistemul de tratare a emisiilor de NOx
(SCR). Available on: http://www.e-
automobile.ro/categorie-motor/19-diesel/140-
adblue-motor-diesel-uree-scr.html