Bijlage 1 Emissiereducerende maatregelen (door Royal Haskoning)

Bijlage 1 Emissiereducerende maatregelen (door Royal Haskoning)

Steunprogramma havengebonden werktuigen Definitief Rapport

81944801/R/873192/Mech 21 januari 2011

1.3

Uilaatgasnabehandelingssytemen

1.3.1

Oxidatiekatalysator Een diesel oxidatiekatalysator (DOC: Diesel Oxidation Catalyst) vermindert de oplosbare organische fractie van de deeltjesuitstoot, oxideert CO en HC voor een groot deel (tot 90%) en elimineert de kenmerkende diesel uitlaatgeur. Bovendien is de katalysator zeer efficiënt in het verminderen van giftige aldehyden en polycyclische koolwaterstoffen [6].

Figuur 1: Schematische weergave van een oxidatiekatalysator [18].

De totale partikeluitstoot wordt naargelang zijn samenstelling verminderd met 25 tot 50%. Voor hogere terugdringing van de PM-uitstoot dient een roetfilter geïnstalleerd te worden (zie verder). Een nadeel is dat bij hoge temperaturen het potentieel dat de katalysator sulfaten begint te vormen (SO2 wordt geoxideerd tot SO3). Er dient dus een goede balans gevonden te worden tussen een goede emissiereductie enerzijds en een verhindering van sulfaatvorming anderzijds. Bovendien dient de uitlaatgasstroom niet teveel gehinderd te worden. Deze tegendruk zou immers zorgen voor een hoger brandstofverbruik. Tegenwoordig zijn ook de zware motoren uitgerust met turbolading. Het gevolg hiervan is dat de uitlaatgassen een lagere temperatuur hebben dan zonder een turbolader. Natuurlijk zal een havenwerktuig vaak lang operationeel zijn waardoor de motoren hoge temperaturen aanhouden. Toch zal bij koude start of vrijloop (frequent voorkomen) de temperatuur zeer laag zijn. Tegenwoordig worden hierdoor zeolieten (moleculaire zeven) gebruikt in de katalysator die bij lage temperaturen actief de koolwaterstoffen vangen [11]. Bij nieuwe motoren is een dergelijke katalysator standaard ingebouwd. Het voordeel van de oxidatiekatalysator is de relatief lage kostprijs (1.000 - 2.500€) zodat het een interessante optie is voor retrofit van oudere voertuigen. Voor de ‘oudere’ havengebonden werktuigen wordt eveneens nagegaan in hoeverre nageschakelde reductietechnieken zoals een roetfilter (zie verder) en oxidatiekatalysator in aanmerking kunnen komen voor ondersteuning via de ecologiepremie2. De oxidatiekatalysator is reeds tientallen jaren gebruikt als emissiereductietechnologie voor de vermindering van CO en KWS. De productie- en marktrijpheid zijn dus voldoende.

2

Nota van Joke Schauvliege, Vlaams Minister van Leefmilieu, Natuur en Cultuur. Antwoord op vraag nr. 143 van 14 januari 2010.

Bijlage 1 – Emissiereducerende maatregelen

-4-

1.3.2

Partikelfilter De partikelfilter, roetfilter of DPF (Diesel Particulate Filter) is een filter die met een zeer hoge efficiëntie vaste of vloeibare deeltjes of partikels uit de uitlaatstroom filtert [6]. De nieuwste filters collecteren meer dan 90% van de totale deeltjesmassa, ook de kleinste deeltjes (< 100 nm).

Figuur 2: Schematische weergave van een partikelfilter, CRT-type [18].

De filter is zelfregenererend om zo hoge uitlaatgastegendrukken en bijgevolg verhoging van het brandstofverbruik tegen te gaan. De term regeneratie wordt gebruikt om het proces van roetverwijdering door oxidatie tot CO2 te beschrijven. Deze oxidatiereactie kan niet spontaan doorgaan bij normale uitlaatgastemperaturen zonder hulpmiddelen. De reactie kan pas doorgaan bij temperaturen van 600 à 650 °C. De filters worden vandaar ingedeeld naar de manier van regeneratie, namelijk passief of actief [11]: •

•

Een passief systeem wil zeggen dat geen actieve maatregelen (bijvoorbeeld na-injectie van brandstof, elektrische regeneratie…) moeten genomen worden opdat de filter een regeneratie zou uitvoeren, terwijl dit bij actieve systemen wel het geval is. Passieve systemen zijn bijvoorbeeld katalysatoren waar speciale coatings worden gebruikt om de ontstekingstemperatuur van roet significant te verlagen. Een ander voorbeeld is het CRT-principe (Continuously Regenerating Trap) waarbij NO2 gebruikt wordt om de deeltjes in de filter te oxideren bij lage temperatuur. Een dergelijk systeem heeft ongeveer een kostprijs van 5.000 €. Een actief systeem heeft het voordeel dat regeneratie mogelijk is onder elke bedrijfsomstandigheid van het werktuig. Anderzijds resulteert een dergelijke regeneratie steeds in een extra energieverbruik en is bovendien deze techniek duurder (kostprijs ongeveer rond de 10.000 €).

In het algemeen kan met passieve systemen een continue verbranding van roet mogelijk zijn bij uitlaatgastemperaturen hoger dan 250 °C en dat gedurende een voldoend lange tijd. Een roetfilter wordt daarom niet altijd bij havenwerktuigen gebruikt. Bijvoorbeeld vorkliften en heftrucks halen – omwille van hun werkingsprofiel – niet de vereiste regeneratietemperatuur ter hoogte van de filter. Deze machines draaien immers

Bijlage 1 – Emissiereducerende maatregelen

-5-

slechts kortstondig op vollast. Linde3 heftrucks onderzoekt nu machines met dieselmotoren, goed voor een heflast van 2 – 6 ton, met roetfilter. Hiervoor werd de schakelkast vervangen door een hydrostatische koppeling. Zodoende zou het temperatuursprobleem opgelost kunnen worden. Een alternatief is een verwisselbare katalysator (van Eberspächer4). Eenmaal de katalysator verzadigd is, wordt deze vervangen. (Het regeneratieproces wordt dan uitgevoerd in een verwarmingsoven, zodat de katalysator herbruikbaar is.)

3 4

Linde heftrucks: Internet: http://www.vddlinde.be/. Eberspächer: Internet: http:www.eberspacher.com/.

Bijlage 1 – Emissiereducerende maatregelen

-6-

1.3.3

SCR (Selective Catalytic Reduction) SCR wordt gebruikt in dieselmotoren om de NOx-uitstoot drastisch te verminderen. Deze reductiereacties in een oxiderende atmosfeer, zijn mogelijk als een reducerende stof aanwezig is. Voor transporttoepassing wordt ammoniak onder de vorm van een ureaoplossing – beter gekend als Adblue – gebruikt. Deze oplossing is niet giftig en eenvoudig handelbaar en bestaat uit 32.5% ammoniak en 67.5% water. Adblue kan tegenwoordig bij meerdere tankstations (Total, Esso, enz) getankt worden.

Figuur 3: Schematische weergave van een SCR systeem.

SCR systemen werden al met succes getest op commerciële heavy duty motoren over honderduizenden kilometers. Afhankelijk van de uitvoering worden omzettingsgraden van 50 tot 90% bereikt onder echte gebruiksomstandigheden [11]. Het grootste struikelblok voor deze technologieën is het feit dat een additief gewerkt wordt dat regelmatig bijgevuld moet worden. Dit brengt enkele nadelen met zich mee, zoals bijvoorbeeld het voorzien van een infrastructuur voor bevoorrading, een meerkost voor de Adblue-consumptie (ongeveer helft van de bruto dieselprijs per liter) en een bijkomend volume op het voertuig voor installatie en tank (verbruik is ongeveer 2 l / 100 km). Bovendien kunnen deze systemen onderhevig zijn aan fraude (als er geen ureum wordt getankt, heeft het systeem weinig nut). De prijs voor het uitrusten van een zwaar voertuig met een SCR-technologie bedraagt ongeveer 10.000 €. Er dient hierbij opgemerkt te worden dat deze prijs nog kan dalen indien er een grote afzetmarkt is en de systemen in serie kunnen worden geproduceerd. De technologie komt in aanmerking voor een ecologiepremie.

Bijlage 1 – Emissiereducerende maatregelen

-7-

1.3.4

NOx-katalysatoren Naast SCR zijn momenteel ook katalysatoren ontwikkeld die geen additief nodig hebben om NOx te reduceren. Twee uitvoeringen zijn op de markt [11]: • •

NOx-opslagkatalysator of NOx-trap. Deze katalysator slaat NOx op en geeft die in de geschikte (reducerende) omstandigheden weer vrij (zoals bij een partikelfilter). Lean-NOx catalyst die NOx continu tracht te reduceren.

Figuur 4: Schematische weergave van een NOx-trap systeem.

Bij de NOx-opslagkatalysator dient regeneratie doorgevoerd te worden als de maximale opslagcapaciteit bereikt is. Dit gebeurt door kortstondig een rijke atmosfeer (lucht/brandstofverhouding < 1) in de motor te creëren zodat de NO2 omgezet wordt in NO en vervolgens snel gereduceerd wordt tot N2 door reactie met de gevormde CO of HC [11]. Het is dus duidelijk dat de technologie staat of valt met het regeneratieproces. Het rijke mengsel kan verkregen worden door smoring van de inlaatlucht, eventueel via EGR-proces (zie verder), extra (na)injectie [11]. Omzettingsgraden van 50 – 90% kunnen bereikt worden. Bij de lean-NOx katalysator worden geavanceerde structurele eigenschappen in de katalytische coating gebruikt om een rijk microklimaat te creëren. De koolwaterstoffen, aanwezig in de uitlaatgassen, zetten dan de NO en NO2 om te zetten in N2. Aangezien een dieselmotor van nature weinig koolwaterstoffen produceert, dient extra brandstof ingespoten te worden om voldoende omzettingsrendement te bekomen (actief systeem). Lean-NOx katalysatoren zijn beschikbaar en worden gebruikt in combinatie deeltjesfilters voor zwaardere motoren. De geschatte meerprijs bedraagt tussen 500 en 3.500 € voor motoren van < 200 kW [19]. Lean-NOx katalysatoren als ‘stand alone’ zijn niet commercieel beschikbaar. De belangrijkste beperking voor de NOx-katalysatoren is dat het zwavelgehalte van de brandstof zeer laag moet zijn (< 10 ppm). De technologie komt wel in aanmerking voor een ecologiepremie.

Bijlage 1 – Emissiereducerende maatregelen

-8-

1.3.5

Conclusies Deze paragraaf gaf een overzicht van de nabehandelingstechnieken die elk een belangrijke reductie van NOx of partikels kunnen bewerkstelligen. Een combinatie van technieken maakt het mogelijk de Tier normeringen te halen (Tier 3b, Tier 4). Onderstaand overzicht vat de nabehandelingstechnieken nog eens samen. Techniek Oxidatiekatalysator Partikelfilter

NOx

KWS

PM

CO

Kostprijs (€)

0 0

50 – 85% > 90%

25 – 50% > 90%

50 – 90 % > 90%

1.000 – 2.500 5.000 – 10.000

SCR

50 – 90%

50 – 90%

0

0

10.000

NOx-katalysatoren

50 – 90%

50 – 90%

0

50 – 90%

500 – 3.500

Tabel 3: overzicht van het reductiepotentieel en kostprijs van de nabehandelingstechnieken.

Nieuwe motoren (zeker in de automobiel en transportsector) zijn uitgerust met deze technieken. Retrofitting van oudere motoren is in vele gevallen mogelijk maar brengt een belangrijke kostprijs met zich mee. Een ecologiepremie kan hierin deels tegemoet komen. Retrofitting van bestaande motoren stuit bovendien vaak op praktische bezwaren. Leveranciersgaranties vervallen vaak indien bestaande motoren geretrofit worden.

Bijlage 1 – Emissiereducerende maatregelen

-9-