Emise, filtry částic, katalyzátory. Rizikové látky a způsoby snižování emisí

Rizikové látky

Částice jsou převážně uhlíkaté a vznikají nedokonalým spalováním paliva a mazacího oleje, v menší míře jsou tvořeny popelem (nespalitelnou částí paliva a oleje) a otěrovými částicemi z motoru. Typické částice z motorů jsou menší než tisícina průměru lidského vlasu, a zatímco větší částice se spíše zachytí v nose, ty malé se nejraději ukládají hluboko v plicích, v plicních sklípcích, odkud pronikají do krevního oběhu, a roznášejí tak rakovinotvorné látky po celém těle. Primární částice jsou zpravidla okem neviditelné, vidíme teprve jejich shluky (aglomeráty), které mohou mít černou barvu (elementární uhlík ze spalování nafty při nedostatku vzduchu), ale mohou být i našedlé až namodralé (kapičky nafty). Oxid dusnatý vzniká při vysokých teplotách při účinném spalování, v atmosféře se přeměňuje na nahnědlý, dráždivý oxid dusičitý, který se působením slunečního záření rozkládá a vzniká velmi reaktivní ozón, jinak používaný při bělení papíru nebo čištění vody, který poškozuje tkáně. Oxidy dusnatý, chemicky NO, a dusičitý, NO₂, jsou dohromady sčítány jako „NO_x”.

Co se týče ostatních rizikových látek, síry a olova jsme se zbavili tím, že jsme radikálně snížili jejich obsah v palivu, a oxidu uhelnatého (CO) povětšinou tím, že jsme zlepšili spalování u naftových motorů a benzinové motory osadili katalyzátory, tedy až na malé motory v zahradní technice, které byly donedávna v emisní legislativě opomíjeny. Levný křovinořez s dvoudobým motorem může, v přepočtu na hodinu provozu, vyprodukovat více CO než dieselová lokomotiva – a to výfuk té lokomotivy nemá strojvedoucí necelý metr od hlavy.

Následky

Světová banka odhaduje škody způsobené znečištěním ovzduší u nás na přibližně pět procent hrubého národního produktu – tedy jako kdybychom každou dvacátou bramboru jen tak zahodili do kompostu či ještě hůře přímo do popelnice. A Evropská komise odhaduje, že přes půl milionu lidí ročně v Evropě předčasně zemře na následky chorob vyvolaných částicemi, oxidy dusíku, a z oxidů dusíku vznikajícího troposférického ozonu, přičemž spalovací motory jsou ve většině měst hlavním původcem těchto látek. Pro porovnání, počet obětí dopravních nehod je asi desetinový.

Technologie

Zásadní technologické zlepšení přišlo ze Švýcarska, kde vznětové (naftové) motory stavebních strojů v tunelech začaly být osazovány filtry částic. Technologie se osvědčila a již přes deset let je montována na všechny nákladní automobily a autobusy v USA a poslední dobou též v EU. Filtry vypadají jako tlumič výfuku a také tuto roli zastávají lépe než klasické tlumiče, jejich hlavní role je ale zachycování částic, které motor vyprodukuje. Uvnitř je porézní keramické těleso s mnoha kanálky, které jsou otevřeny buď směrem ke vstupní nebo výstupní straně (obr. 1). Výfukové plyny vtékající vstupními kanálky procházejí porézními stěnami do sousedních kanálků, kterými odtékají. Částice se přitom zachytávají v houbovité přepážce. Protože částice jsou převážně uhlík (často nazývaný „saze”), odstraňují se tím, že se pravidelně při vyšší teplotě spálí. Vyšších teplot je dosaženo vstřikováním paliva, které hoří ve výfuku, případně dnes již málo používaným elektrickým vyhříváním, u některých typů je teplota hoření sazí snížena o několik set stupňů katalyzátorem naneseným na povrchu kanálků nebo přidávaným do paliva. Relativně malé množství nespalitelných zbytků ve filtru zůstává, dříve bylo nutné každoročně filtr čistit, nyní se od této praxe upouští a požaduje se použití paliva i oleje s nízkým obsahem popele. Pro dočasné instalace, například kamion zajíždějící do skladiště, se používají jednorázové papírové filtry.

Obr. 1: Filtr částic: Výfukové plyny vstupují jedněmi kanálky a procházejí porézní membránou do sousedních kanálků, kterými vycházejí na druhé straně ven. Na porézní keramické membráně – vyrábí se například z karbidu křemíku – která pod mikroskopem připomíná mycí houbu se částice zachytí, a protože se jedná převážně o saze, pravidelně se při vyšších teplotách vypálí (regenerace filtru)

Obr. 2: Regenerační proces filtru pevných částí však nikdy není stoprocentní. Výsledkem je postupné zanášení DPF a nutnost renovace případně výměny (foto F. T. G.)

Kvalita paliva

Za normálních okolností filtr vydrží tak dlouho jako motor. Problémy nastávají v případě, že do filtru přichází příliš mnoho částic – zpravidla z důvody závady na motoru, nadměrného opotřebení, nebo neodborného zásahu. Tím bývá často snaha přenastavit motor na vyšší výkon tím, že se do motoru přivede více paliva, aniž by bylo zároveň zajištěno, že se odpovídajícím způsobem zvýší množství vzduchu, aby toto palivo navíc mohlo shořet. Problém také nastává v případě, kdy ve filtru se nahromadilo příliš popele, často z důvodu nadměrné spotřeby oleje, nesprávného druhu oleje, či vysokého obsahu minerálů v palivu. Biopaliva, jsou-li palivové kvality, zejména mají-li velmi nízký obsah draslíku, sodíku, fosforu a dalších látek, pro filtry zpravidla nepředstavují problém, naopak, částic je méně, a jsou reaktivnější a spalují se při nižších teplotách. Kvalita paliva je důležitá nikoli pouze při jeho nákupu, ale také v okamžiku jeho vstupu do motoru – původně kvalitní palivo nevhodným skladováním degraduje a může se stát nepoužitelným.

Obr. 3: U strojů s funkčním filtrem pevných částic je koncentrace sazí ve výfukovém potrubí mnohdy nižší než v městském vzduchu. Výfuk by měl tedy zůstat stále čistý

Způsoby snižování oxidů dusíku

Oxidy dusíku lze relativně snadno likvidovat v třícestném katalyzátoru pomocí nějakého hořlavého plynu (vodík, uhlovodíky, oxid uhelnatý) s přítomností pouze malého množství kyslíku, po několik desetiletí se tak děje u benzinových motorů. U naftových motorů, které vždy pracují s relativně velkým přebytkem vzduchu, je nutné použít selektivní redukční katalyzátor (SCR). Nejčastěji se jako redukční činidlo používá amoniak, který je ovšem riziková látka, proto se tvoří až ve výfukovém potrubí rozkladem močoviny. Močovina se skladuje rozpuštěná ve vodě při koncentraci 30–31 %, při které je bod tuhnutí nejnižší. V USA se ustálilo obecné označení „diesel exhaust fluid” (DEF), v EU obchodní označení „AdBlue”. Je-li dosaženo dostatečné teploty výfukových plynů, řídící jednotka vypočte (či odhadne) množství NO_x produkované motorem a poměrně složitým způsobem vypočte (či odhadne) požadované množství AdBlue, které je potřeba nadávkovat speciálním vstřikovačem do výfukového potrubí před SCR katalyzátor. Mnohé motory snímačem, který vypadá jako snímač kyslíku u benzinových motorů, měří koncentrace NO_x na vstupu do SCR, a případně též koncentrace NO_x za SCR, čímž se výpočet citelně zpřesňuje. Špičkové technologie nasazované v autobusech homologovaných dle Euro VI předpisů například umožňují dosažení, v reálném provozu, nižších emisí NO_x na kilometr jízdy než za skutečného provozu vyprodukuje průměrný Euro 6 naftový automobil.

Dalšími způsoby snižování NO_x jsou zpoždění spalování zpožděním časování vstřikování paliva u naftových motorů, recirckulace výfukových plynů, a zásobníkové katalyzátory, které dočasně ukládají NO_x a pomocí paliva je pravidelně redukují. Ty jsou však využívány prakticky výhradně u osobních automobilů. Zatímco všechny uvedené způsoby u naftových motorů spíše zvyšují spotřebu paliva, SCR katalyzátory umožňují naopak motor naladit tak, že spotřeba paliva a emise částic jsou spíše nižší, protože o takovýmto nastavením výrazně zvýšené emise NO_x se postará SCR. Spotřeba AdBlue je několik procent spotřeby paliva, a nedoplňujeme-li AdBlue ze „značkových” lahviček prodávaných některými výrobci automobilů, ale na čerpací stanici, kde je cena kolem osmi korun za litr, náklady na AdBlue jsou okolo jednoho procenta nákladů na palivo – tedy výrazně nižší než úspora paliva, kterou SCR katalyzátory umožňují. (Snaha ušetřit ještě více obcházením SCR katalyzátorů, o což se mnozí našinci snaží, je pak nejlepším receptem na to, aby byl provoz naftových motorů zcela zakázán, jak již ostatně v některých evropských městech bylo navrženo.)

Obr. 4: Katalyzátor SCR (Selective Catalytic Reduction) u nakladače Liebherr Xpower® je v motorovém prostoru nepřehlédnutelný (foto Liebherr)

Emisní normy

Protože ve městech se pohybuje poměrně velké množství stavebních a různých dalších pojízdných strojů, byly zpřísněny emisní normy i pro nesilniční motory – tedy takové, které pohánějí mimo jiné zemědělské, lesnické a stavební stroje, říční plavidla a lokomotivy. U naftových motorů Euro Stage IV tedy můžeme nalézt, v různých obměnách, místo tlumiče výfuku oxidační katalyzátor a filtr částic, a obdobně velký SCR katalyzátor. Před filtrem částic může být vstřikovač paliva nebo hořák, který zvyšuje teploty výfukových plynů, a před SCR katalyzátorem vstřikovač AdBlue. Filtr částic bývá osazen snímačem tlakové ztráty na filtru a teploty výfukových plynů, před a/nebo za SCR katalyzátorem pak může být snímač NO_x. Tak jako palivo, hydraulický olej, kapalinu do ostřikovače a další tekutiny pak bude nutné i doplňovat AdBlue a do některých motorů i kapalinu pro regeneraci filtru částic.

Alespoň nějaký pokrok lze očekávat i u dosud opomíjených malých benzinových motorů – lepší spalování, vstřikování paliva i oleje, ekologičtější paliva – nicméně osadit například motorovou pilu elektronickým vstřikováním paliva, snímačem kyslíku a třícestným katalyzátorem, by bylo, pokud vůbec technicky proveditelné, velmi nákladné. Alespoň u „hobby” strojů lze spíše očekávat přechod na bateriový pohon, který na pár desítek minut rekreačního sekání trávníku postačí.

Závěr

Je možné, že emise na vzdáleném venkově na poli nikomu příliš nevadí, ale v areálu zemědělského podniku, v průmyslových areálech, a zvláště pak v halách a dalších vnitřních prostorech a ve městech již své škody napáchat mohou. Katalyzátory a filtry částic jsou výrazně levnější než náklady na léčbu a další škody na zdraví, a ve většině případů výrazně levnější než jakákoli jiná alternativa. Když na to přijde, do práce může většina z nás jezdit na kole či chodit pěšky, ale saně na svážení dřeva, trakaře na přepravu pytlů obilí, a ruchadlo či pluh (voli k jehož tažení u nás ubývají) bych raději nechal na půdě. Máme sice elektrické pohony a možná právě v době žní má místní fotovoltaická elektrárna přebytky, ale zatímco na elektrokola jsme si zvykli, vozit na orbu několik tun akumulátorů místo každé stovky litrů nafty je záležitost drahá a obtížná. Klasické spalovací motory, nyní když máme relativně levnou a spolehlivou technologii pro účinné snížení emisí, mohou být, najdeme-li pro ně paliva, nakonec v mnohých případech stále tou nejlepší alternativou.