Daarnaast zijn een aantal combinaties van nabehandelingssystemen mogelijk, al dan niet geïntegreerd

7

SAMENVATTING DEEL A De verstrenging van de Europese reglementering van emissienormen voor voertuigen is de drijvende kracht achter de voortdurende ontwikkeling en verdere optimalisatie van motor en nabehandelingssystemen. De resulterende lage emissies van nieuwe voertuigen staan in contrast met de hogere emissies van oudere bestaande voertuigen. Daarom is het belangrijk om ‘oudere voertuigen’ schoner te krijgen en hiervoor kan retrofit met nabehandelingstechnieken aangewezen zijn. De toenemende Europese en internationale projecten bewijzen de groeiende interesse om op deze manier te komen tot een schoner transport. Zowel demonstratie- als onderzoeksprojecten worden uitgevoerd. Momenteel loopt er een demonstratieproject bij De Lijn in Leuven waarbij 18 bussen werden uitgerust met een CRT (Continuous Regenerating Trap) om de performantie in reële omstandigheden na te gaan. Het doel van deze studie is een overzicht te geven van de beschikbare en in ontwikkeling zijnde nabehandelingssystemen voor dieselvoertuigen. Hierbij wordt steeds kort de werking uitgelegd en de performantie van de verschillende emissies besproken. Daarnaast worden een aantal moeilijkheden en/of aandachtspunten van het gebruik en de werking van het systeem weergelijst. Ook wordt een indicatie van de prijs en de marktrijpheid van de systemen weergegeven. Er is momenteel een heel gamma aan nabehandelingstechnieken voor zware dieselvoertuigen. Het succes van bepaalde systemen hangt af van de beschikbaarheid van Sarme (of zelfs S-vrije) dieselbrandstof. Om het op de markt brengen van S-arme diesel te stimuleren werd in België een accijnsvermindering op S-arme diesel ingevoerd. Bovendien zijn voor bepaalde technieken een aantal randvoorwaarden (vb. T) vereist. In de eerste plaats werden in deze studie verschillende roetnabehandelingssystemen vergeleken. De deeltjesuitstoot kan in beperkte mate gereduceerd worden door een oxidatiekatalysator. In dit geval wordt enkel de VOF (Vluchtige Organische Fractie) verminderd. Dit resulteert in een performantie tot 40-50%. De gemeten performantie is afhankelijk van het zwavelgehalte in de brandstof, de uitlaatgastemperatuur en de samenstelling van het roet. Het voordeel van de oxidatiekatalysator is de relatief lage kostprijs (1000-2500 €) zodat het een interessante optie is voor retrofit van oudere voertuigen. In een deeltjesfilter worden deeltjes uit de uitlaat opgevangen en geoxideerd. Omdat de regeneratie van roet door zuurstof slechts gebeurt vanaf 550°C en de uitlaatgastemperatuur lager ligt moet de oxidatietemperatuur verlaagd worden (passieve regeneratie) of de uitlaatgastemperatuur verhoogd (actieve regeneratie) om een goede regeneratie te verzekeren. Verschillende regeneratiestrategieën zijn voorhanden. Bij de katalytische deeltjesfilter is een katalytisch materiaal aangebracht op de filter zodat de regeneratietemperatuur van roet door oxidatie met zuurstof verlaagd wordt (tot 300-400°C). De deeltjesvermindering bedraagt >95% indien S-vrije brandstof gebruikt wordt. Verhogen van het S-gehalte vermindert de performantie (door sulfaatvorming) indien een edelmetaal als katalytisch materiaal gebruikt wordt. Nieuwere materialen zijn in ontwikkeling en zijn minder gevoelig voor het S-gehalte. De kostprijs bedraagt ongeveer 5000€.

8

De CRT gebruikt NO2 – omgezet in een oxidatiekatalysator uit NO in de uitlaat – om de deeltjes in de filter te oxideren bij een lagere temperatuur (vanaf 250°C). De performantie bedraagt 90-95% maar vermindert eveneens bij gebruik van brandstof met een hoger Sgehalte. Een nadeel is de verhoogde NO2-uitstoot ten gevolge van de NO-omzetting in de katalysator. De kostprijs bedraagt ± 5000€. Bij de filter met brandstofadditief wordt een additief aan de brandstof toegevoegd om de regeneratietemperatuur te verlagen. Het katalytisch element wordt zo in de roetdeeltjes opgenomen en opgevangen in de filter waar regeneratie met zuurstof plaatsvindt. De reductie-efficiëntie voor deeltjes bedraagt ongeveer 90%. De gasvormige emissies (CO en KWS) worden in veel mindere mate gereduceerd in vergelijking met de twee bovenstaande technologieën. Bij de filter met brandstofadditief bedraagt de efficiëntie voor CO 20% (in vergelijking met 90-99% voor de katalytische filter en 70-99% voor de CRT) en de efficiëntie voor KWS 40% (in vergelijking met 60-80% voor de katalytische filter en 7095% voor de CRT). Een voordeel van deze technologie is de ongevoeligheid voor het Sgehalte in de brandstof. Een nadeel is de verhoogde complexiteit van het systeem omwille van de doseereenheid voor het additief. Het gebruik van het additief heeft bovendien een verhoogde asdepositie in de filter tot gevolg wat een frequentere reiniging van de filter vereist. Een juiste filterkeuze is belangrijk om de uitstoot van metaaldeeltjes te vermijden. De kostprijs bedraagt bijna 5000€. In een deeltjesfilter met thermische regeneratie wordt gebruik gemaakt van een dieselbrander om de uitlaatgastemperatuur te verhogen tijdens regeneratie. De performantie voor deeltjes bedraagt 90% terwijl de uitstoot van CO en KWS niet gereduceerd wordt. Een nadeel van deze technologie is de complexiteit van het systeem en de resulterende hoge kostprijs (10000€). Indien de regeneratie te frequent gebeurt resulteert dit bovendien en een extra toename van het verbruik. Een andere manier om de temperatuur in de uitlaat te verhogen is elektrische regeneratie. Een nadeel is dat de regeneratie bij de meeste systemen buiten het voertuig gebeurt en het extra energieverbruik. Systemen met regeneratie tijdens gebruik van het voertuig zijn nog in ontwikkeling. De performantie bedraagt 85-95% voor deeltjes. CO en KWS worden niet verminderd. De kostprijs wordt geschat op 10000€. NTP (Non-Thermal Plasma) is een nieuwe technologie waarbij een plasma gegenereerd wordt om de regeneratietemperatuur te verlagen (tot < 250°C). Deze technologie bevindt zich echter nog in een ontwikkelingsfase. Deeltjesreducties van 30-50% worden gerapporteerd. Naast roetnabehandelingstechnieken worden in deze studie ook kort de mogelijkheden voor NOx-reductie aangehaald. NOx en PM zijn immers de belangrijkste polluenten gerelateerd aan verbranding in dieselmotoren. SCR (Selective Catalytic Reduction) wordt momenteel als de meest voor de hand liggende technologie gezien om aan de emissienormen voor 2005/2008 voor nieuwe zware voertuigen te voldoen. Bij SCR wordt NOx gereduceerd door NH3 (meestal gevormd uit ureum). Voor retrofit vereist deze techniek uiteraard de nodige aanpassingen. Andere mogelijkheden zijn de NOx-adsorber, de Lean-NOx catalyst en NTP technologie. Daarnaast zijn een aantal combinaties van nabehandelingssystemen mogelijk, al dan niet geïntegreerd.

9

Om de deeltjesuitstoot van bussen te verminderen zijn roetfilters met passieve regeneratiestrategie momenteel het meest geschikt. De performantie van de CRT werd in deel B van deze studie door Vito in reële omstandigheden gemeten bij Euro 2-stadsbussen en geschikt bevonden (>90% deeltjesvermindering). Evaluatie van andere hierboven genoemde passieve systemen in reële omstandigheden is aangewezen om hun performantie in reële omstandigeheden na te gaan en een betere vergelijking met de CRT mogelijk te maken. Om het gebruik van nabehandelingssystemen te stimuleren kunnen demonstratieprojecten een bijdrage leveren in het opbouwen van kennis en ervaring wat betreft onderhoud en werkingscondities van het nieuwe nabehandelingssystemen en eventueel ook wat betreft uitbouw van noodzakelijke infrastructuur. Indien beleidsmaatregelen genomen worden om het gebruik van nabehandelingssystemen te promoten, is het noodzakelijk een kwaliteitslabel te definiëren en in te voeren. Dit kwaliteitslabel moet er dan voor zorgen dat de beoogde emissiereductiedoelstelling gehaald wordt.

10

INHOUD DEEL A

SAMENVATTING DEEL A................................................................................................... 7 A.1

INLEIDING ............................................................................................................... 13

A.2 WAT ZIJN DEELTJES? ........................................................................................... 17 A.2.1 Samenstelling......................................................................................................... 17 A.2.2 Deeltjesgrootte ....................................................................................................... 18 A.3 OXIDATIEKATALYSATOR VOOR DIESEL ........................................................ 20 A.3.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 20 A.3.2 Performantie .......................................................................................................... 20 A.3.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 23 A.3.4 Kostprijs en marktrijpheid .....................................................................................24 A.4 DEELTJESTRAP ...................................................................................................... 25 A.4.1 De katalytische deeltjesfilter: regeneratie door katalytische coating op filterelement ........................................................................................................... 26 A.4.1.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 26 A.4.1.2 Performantie .......................................................................................................... 27 A.4.1.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 27 A.4.1.4 Marktrijpheid en kostprijs...................................................................................... 28 A.4.2 CRT (Continuous Regenerating Trap): regeneratie door NO2 .............................. 28 A.4.2.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 28 A.4.2.2 Performantie .......................................................................................................... 30 A.4.2.3 Moeilijkheden/ aandachtspunten ........................................................................... 32 A.4.2.4 Kostprijs en marktrijpheid ..................................................................................... 34 A.4.3 Katalytische regeneratie op basis van brandstofadditief: ‘fuel borne catalyst’......35 A.4.3.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 35 A.4.3.2 Performantie .......................................................................................................... 37 A.4.3.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 37 A.4.3.4 Kostprijs en marktrijpheid ..................................................................................... 39 A.4.4 Thermische regeneratie met dieselbrander8 ........................................................... 39 A.4.4.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 40 A.4.4.2 Performantie .......................................................................................................... 40 A.4.4.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 41 A.4.4.4 Kostprijs en marktrijpheid ..................................................................................... 41 A.4.5 Dieselfilter met elektrische regeneratie .................................................................41 A.4.5.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 41 A.4.5.2 Performantie .......................................................................................................... 42 A.4.5.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................42 A.4.5.4 Kostprijs en marktrijpheid .....................................................................................42 A.5

SCR (SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION) ................................................... 44

11

A.5.1 A.5.2 A.5.3 A.5.4

Werkingsprincipe................................................................................................... 44 Performantie .......................................................................................................... 46 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 47 Kostprijs/marktrijpheid.......................................................................................... 48

A.6 SCRT ......................................................................................................................... 48 A.6.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 48 A.6.2 Performantie .......................................................................................................... 48 A.6.3 Kostprijs en marktrijpheid ..................................................................................... 49 A.7 ‘LEAN-NOX’-KATALYSATOR EN NOX-ADSORBER......................................... 50 A.7.1 ‘Lean NOx’-katalysator ......................................................................................... 50 A.7.1.1 Werkingsprincipe8 ................................................................................................. 50 A.7.1.2 Performantie .......................................................................................................... 50 A.7.1.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................51 A.7.1.4 Kostprijs en marktrijpheid ..................................................................................... 52 A.7.2 NOx-adsorber ........................................................................................................52 A.7.2.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 52 A.7.2.2 Performantie .......................................................................................................... 53 A.7.2.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 53 A.7.2.4 Kostprijs en marktrijpheid ..................................................................................... 53 A.8 NTP OF NIET-THERMISCH PLASMA ..................................................................54 A.8.1 Wat is NTP?8 ......................................................................................................... 54 A.8.2 NTP voor PM reductie........................................................................................... 54 A.8.2.1 Werkingsprincipe...................................................................................................54 A.8.2.2 Performantie .......................................................................................................... 55 A.8.2.3 Kostprijs en marktrijpheid .....................................................................................56 A.8.3 NTP voor NOx-reductie ........................................................................................ 56 A.8.3.1 Werkingsprincipe................................................................................................... 56 A.8.3.2 Performantie .......................................................................................................... 56 A.8.3.3 Moeilijkheden/aandachtspunten ............................................................................ 57 A.8.3.4 Kostprijs en marktrijpheid .....................................................................................57 A.9 COMBINATIE VAN NABEHANDELINGSSYSTEMEN ...................................... 58 A.9.1 SCR + CRT............................................................................................................ 58 A.9.2 SCR + roetfilter met additief ................................................................................. 58 A.9.3 EGR + CRT ...........................................................................................................58 A.9.4 Katalytische deeltjestrap en brandstofadditief .......................................................59 A.9.5 Deeltjesfilter met NOx adsorber ............................................................................59 A.10

BRANDSTOFMODIFICATOREN...........................................................................61

A.11

BESCHIKBAARHEID VAN S-ARME BRANDSTOF ...........................................65

A.12

DEELTJESGROOTTEVERDELING ....................................................................... 66

12

A.13

SAMENVATTING EN CONCLUSIE ...................................................................... 67

AFKORTINGEN ................................................................................................................... 70 REFERENTIES ..................................................................................................................... 71

13

A.1 INLEIDING Om de bijdrage van het wegverkeer in de steeds toenemende luchtpollutie te verminderen werd de Europese emissiereglementering voor voertuigen en motoren de laatste decennia aanzienlijk verstrengd.1 Deze nieuwe normen zijn de drijvende kracht achter de voortdurende ontwikkeling en verdere optimalisatie van motor en nabehandelingssystemen. Zo heeft in het verleden de verstrenging van de emissienormen voor benzinewagens geleid tot de introductie van een driewegkatalysator. Verstrenging van de normen voor dieselvoertuigen zou eveneens kunnen leiden tot de introductie van nabehandelingssystemen zoals een deeltjesfilter. In dit rapport wordt een overzicht gegeven van de bestaande en in ontwikkeling zijnde nabehandelingssystemen. In deze inventarisatie is de aandacht vooral gericht op zware dieselmotoren en de effecten op deeltjes. Effecten op andere emissies worden eveneens beschouwd. We geven hier kort de huidige stand van zaken betreffende de emissiereglementering weer. Zware motoren worden onderworpen aan een stationaire test. Onderstaande tabel geeft de evolutie van de emissienormen weer voor deze stationaire test. Vanaf Euro 3 wordt een nieuwe stationaire testcyclus ingevoerd en worden motoren bovendien onderworpen aan een transiënte cyclus. De grenswaarden voor deze cyclus zijn eveneens weergegeven in onderstaande tabel. Voor Euro 3 gelden de normen voor de ETC-test enkel voor dieselmotoren met moderne nabehandelingssystemen en motoren met vonkontsteking (aardgas en LPG). Vanaf Euro 4 moeten alle dieselmotoren aan deze normen voldoen. Tabel A.1: Europese reglementering voor zware voertuigen a) Europese emissiestandaarden (in g/kWh) volgens testcyclus : ECE R-49 (Euro 0-2) en ESC (Euro 3-5). Norm Euro 0 Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5*** EEV

Introductie** 10/(1988)1990 10/(1992)1993 10/(1995)1996 10/(2000)2001 10/(2005)2006 10/(2008)2009

Richtlijn 88/77/EEG 91/542/EEG 91/542/EEG 1999/96/EG 1999/96/EG 1999/96/EG 1999/96/EG

CO 11.2 4.5 4.0 2.1 1.5 1.5 1.5

KWS 2.4 1.1 1.1 0.66 0.46 0.46 0.25

* 0.612 voor < 85 kW ** datum waarop enkel nieuwe modellen () en alle modellen moeten voldoen *** verwachte emissielimieten (mogelijk nieuwe testcyclus)

NOx 14.4 8.0 7.0 5.0 3.5 2.0 2.0

PM 0.36* 0.15 0.1 0.02 0.02 0.02

14

b) Europese emissiestandaarden (in g/kWh) volgens ETC-cyclus. Richtlijn 1999/96/EG Norm Euro 3 Euro 4 Euro 5*** EEV

Introductie** 10/(2000)2001 10/(2005)2006 10/(2008)2009

CO 5.45 4.0 4.0 3.0

NMKWS 0.78 0.55 0.55 0.40

NOx 5.0 3.5 2.0 2.0

CH4 1.6 1.1 1.1 0.65

PM 0.16 0.03 0.03 0.02

** datum waarop enkel nieuwe modellen () en alle modellen moeten voldoen *** verwachte emissielimieten (mogelijk nieuwe testcyclus)

De limieten voor CO en KWS vormen op zich geen probleem aangezien de motoren die momenteel op de markt zijn al kunnen voldoen aan de normen voor Euro 5. De grootste uitdaging bestaat er echter in zowel deeltjes als NOx-emissies te verlagen. Inspanningen om één van deze emissies te verlagen heeft vaak een verhoging van de andere tot gevolg. In onderstaande figuur2 wordt de PM/NOx trade-off weergegeven samen met mogelijke emissiereductiestrategieën.

0.10

] h Wk/ g[ noi ssi mel eki t r a P

Particles [g/kWh]

0.08

0.06

Engine out reduction of NO x

Exhaust gas aftertreatment for particulate reduction

Engine out reduction of particulates

0.04

0.02

Euro 5 0.00 0.0

1.0

Euro 4 2.0

3.0

DeNOx Technology

4.0

5.0

6.0

7.0

Stickoxidemission [g/kWh]

NO x [g/kWh]

Figuur A.1: PM/NOx trade-off voor dieselmotoren

Het kan nodig zijn om meerdere emissiereductietechnologieën aan te wenden. Tot voor kort werd aangehaald dat voor het bereiken van Euro 4-limiet, het toepassen van een nabehandelingssysteem noodzakelijk is. Recent werd door bepaalde motorfabrikanten beweerd dat zij de Euro 4 norm zelfs zonder nabehandelingssysteem kunnen halen. Er zijn

15

verschillende alternatieven om aan de Euro 4-norm te voldoen, vertrekkende van de Euro 3. Een mogelijkheid is NOx-emissies te verlagen door het gebruik van EGR en vervolgens de PM-emissies te verminderen door het gebruik van een deeltjesfilter. Een ander optie is door motorcontrole de deeltjesemissies te verminderen tot onder de Euro 4-norm. De NOxemissies die door deze ingreep dan verhoogd zijn kunnen gereduceerd worden door het gebruik van SCR. Een derde mogelijkheid is het toepassen van een gecombineerd nabehandelingssysteem (vb. SCR en CRT). De meest recente informatie geeft aan dat de Europese constructeurs zullen kiezen voor SCR-technologie om aan de NOx-emissies voor Euro4/5 te voldoen. Naast nabehandelingssystemen worden in de eerste plaats ook motortechnische maatregelen genomen om de emissies van nieuwe voertuigen te verminderen. Deze richten zich op een verbeterde brandstofinjectie, een betere turbosturing of het gebruik van (verbeterde) EGR (Exhaust Gas Recirculation). Deze worden in deze studie echter niet besproken aangezien we ons hier richten op het gebruik van nabehandelingstechnieken. In bovenstaande werd enkel de toepasbaarheid van nabehandelingssystemen voor nieuwe voertuigen beschreven. Het gebruik van nabehandelingssystemen voor de vermindering van de uitstoot van bestaande oudere voertuigen kan zeker ook zijn nut hebben. De oudere voertuigen zijn immers de grootste vervuilers. In het geval van retrofit zijn echter niet alle nabehandelingssystemen even geschikt. De toenemende Europese en Internationale projecten rond nabehandelingssystemen – zowel demonstratie- als onderzoeksprojecten - bewijzen de groeiende interesse om op deze manier te komen tot een ‘schoner’ transport. Hierbij wordt het belang van ‘schone steden’ steeds groter. In Zweden zijn “environmental zones” ingericht in de steden Stockholm, Göthenburg en Malmö die enkel voertuigen toelaten die emissies hebben beter dan Euro 2 of een conversie van minimaal 80 % PM en 60% KWS.3 Ook in andere landen bewijst het groeiende aantal demonstratie- en andere projecten de toenemende interesse naar deze emissiereducerende opties. Voorbeelden zijn het ‘Voluntary Diesel Retrofit Program’ om retrofit van zware voertuigen te promoten en het ‘Clean Up Program’ (van 30 miljoen £) dat de retrofit (nabehandelingssystemen of alternatieve brandstoffen) subsidieert. Het ‘Voluntary Diesel Retrofit Program’ werd opgestart in maart 2000 door de EPA (Environmental Protection Agency) en heeft tot doel vlooteigenaars te helpen (zowel informatief als financieel) bij het retrofitten van hun vloot. Retrofit wordt hier wel in de brede context beschouwd. Naast het uitrusten van voertuigen met nabehandelingssystemen wordt ook het upgraden van de motor of het gebruik van milieuvriendelijke brandstoffen als retrofit gezien. Sinds de start van het programma werden volgens de EPA reeds 130,000 ‘retrofit commitments’ bekomen maar het is niet duidelijk hoeveel werkelijke retrofits hieruit zullen volgen en in hoeverre deze deels te danken zijn aan andere programma’s.4 De CARB (California Air Resource Board) heeft verschillende projecten rond schoner transport opgestart. Een voorbeeld hiervan is het ‘School Bus Program’ waarbij 3000 oudere schoolbussen worden vervangen door nieuwe of uitgerust worden met een deeltjesfilter. In de Verenigde Staten werd een testprogramma DECSE (Diesel Emissions Control – Sulfur Effects)5 opgezet gesponsord door de overheid, MECA (Manufacturers of Emissions Controls Association) en EMA (Engine Manufacturers Association). Hierin werd het effect van de S-concentratie in de brandstof op de efficiëntie

16

en de duurzaamheid van bestaande nabehandelingssystemen onderzocht. In wat volgt zullen de resultaten uit deze studie aangehaald worden. Zwitserland, Oostenrijk en Duitsland hebben belangrijke inspanningen gedaan om de emissies van ‘Off-road’ voertuigen te verminderen. In dit kader werd het ‘VERT’-project opgericht om de emissies bij tunnelconstructie te verminderen. De mogelijke emissiereductiestrategieën werden onderworpen aan testbankmetingen en veldtesten. Als resultaat werden richtlijnen gedefinieerd en een methodologie opgesteld om de emissiereductietechnologieën te valideren. Er werd eveneens een lijst opgesteld met de goedgekeurde deeltjesfilters. In Europese steden zoals Londen, Berlijn en Parijs worden retrofitprojecten opgezet waarbij stadsbussen uitgerust worden met een deeltjesfilter.6 Ook in de Deense stad Odense werd een retrofit programma gestart waarbij 130 voertuigen met verschillende nabehandelingssystemen werden uitgerust. Een meetprogramma werd hierbij opgesteld om de verschillende technologieën te evalueren.7 In onderstaande worden de verschillende nabehandelingssystemen bespoken. Hierbij wordt eerst kort de werking ervan uitgelegd en de performantie van het systeem naar de verschillende emissies besproken. Daarna worden een aantal moeilijkheden en/of aandachtspunten van het gebruik en de werking van het systeem aangegeven. De bedoeling is om op basis hiervan de randvoorwaarden te definiëren om een goede werking van het systeem te verzekeren. Ten slotte zal dan telkens de marktrijpheid van de technologie en een inschatting van de kostprijs worden gegeven. Na de bespreking van de verschillende technologieën wordt een overzicht gegeven met de belangrijkste bevindingen. Daarna zullen nog een aantal andere topics die belangrijk zijn voor de introductie van de nabehandelingssystemen worden aangehaald.

17

A.2 WAT ZIJN DEELTJES? Om de werking en efficiëntie van nabehandelingssystemen in onderstaande duidelijk te kunnen volgen wordt eerst kort besproken wat we verstaan onder deeltjes (PM of Particulate Matter). De samenstelling van de deeltjes, hun vorming en de meetmethoden bepalen immers de gemeten efficiëntie van de nabehandelingstechnieken. Dieselroet is over het algemeen gekend als de zichtbare zwarte roetpluimen bij dieselvoertuigen. Niet alle deeltjes zijn echter zichtbaar met het blote oog. Deeltjes worden gevormd bij de onvolledige verbranding van fossiele brandstoffen. Onder dieseldeeltjes wordt volgens de Europese wetgeving verstaan ‘alles wat gecollecteerd wordt uit verdund uitlaatgas op een on-line filter bij een temperatuur van maximaal 52°C’.

A.2.1 Samenstelling Deeltjes bestaan uit een koolstoffractie en een vluchtige organische fractie (SOF: soluble organic fraction of VOF volatile organic fraction). Verder maken ook sulfaten deel uit van de deeltjes.8,9 •

De VOF bestaat uit KWS geadsorbeerd aan de vaste koolstoffractie. Indien onvoldoende vaste koolstoffractie aanwezig is, kunnen de zwaardere koolwaterstoffen bij afkoeling door condensatie en kernvorming kleinere deeltjes vormen. De koolwaterstoffen zijn afkomstig uit de brandstof of de motorolie. Het aandeel VOF varieert afhankelijk van de motortechnologie en de testmodi of bedrijfsomstandigheden van de motor. De VOF bevat ook PAK’s en nitro-PAK’s. Deze PAK’s zijn zowel aanwezig in de gasvormige als in de deeltjesfase. De PAK’s zijn aanwezig in de brandstof maar worden ook gevormd door pyrolyse.

•

De sulfaten worden gevormd via verdere oxidatie van SO2 tot SO3. SO2 wordt op zijn beurt in de motor gevormd door oxidatie van de S aanwezig in de brandstof. Meer dan 95% van de in de brandstof aanwezige S wordt omgezet in SO2. In de aanwezigheid van water worden SO3 omgezet in H2SO4. Sulfaatdeeltjes worden dan gevormd door kernvorming van sulfaat met watermoleculen. Deze ultrafijne deeltjes worden meegemeten op de filter.

•

Naast koolstof bevat de vaste deeltjesfractie nog andere kleinere fracties zoals onbrandbaar as wat afkomstig kan zijn van spoorelementen aanwezig in smeerolie, brandstof en slijtageresten van motorcomponenten.

De samenstelling van PM is afhankelijk van de motortechnologie, nabehandelingssystemen, werkingspunt van de motor,… De relatie van werkingspunt van de motor tot de samenstelling van het uitgestoten roet wordt in onderstaande figuur10 geïllustreerd. In deze figuur is het aandeel VOF (SOF) en de koolstoffractie (insoluble fraction) weergegeven in functie van toerental en belasting. Hieruit blijkt dat bij hogere belasting het aandeel VOF groot wordt (meer dan 90%) terwijl bij lagere belasting het aandeel koolstof overheerst. Er dient opgemerkt te worden dat het niet aangewezen is deze relatie te extrapoleren naar andere motormodellen en ander omstandigheden.

18

Figuur A.2: Samenstelling van dieselroet (SOF/vaste fractie) in functie van motorbelasting (load) en toerental (engine speed) gemeten bij 3.8L DI turbo diesel.

A.2.2 Deeltjesgrootte Recent wordt ook meer belang gehecht aan de grootte van de deeltjes. Grootteverdeling blijkt vooral belangrijk in het kader van gezondheidseffecten van deeltjes. Kleinere deeltjes zouden tot dieper in de longen kunnen doordringen. De motortechnologie en aanwezigheid van nabehandeling kunnen mogelijk de grootteverdeling beïnvloeden. De grootte van de deeltjes varieert van enkele nm tot een paar µm. De grootteverdeling van de deeltjes kan weergegeven worden als aantal en als massaverdeling. De keuze van de gewichtsfactor bepaalt de resulterende grootteverdeling. In onderstaande figuur worden beide grootteverdelingen ter illustratie weergegeven. Meestal wordt de deeltjesgrootteverdeling beschreven als bimodaal met een “nuclei” (of kern) mode rond de 30 nm en een grotere “accumulatie” mode van rond de 200 nm.8 Deeltjes worden in functie van hun grootte onderverdeeld in nanodeeltjes (<50 nm), ultrafijne deeltjes (<100 nm) en fijne deeltjes of PM2.5 (<2.5 µm) en PM10.

19

Figuur A.3: Deeltjesgrootteverdeling van dieselroet9

Het is belangrijk hier op te merken dat de meetmethode van deeltjesgrootteverdeling nog niet gestandaardiseerd is. Daarom kunnen resultaten van verschillende labo’s sterk uiteenlopen en moeten we vergelijkingen van resultaten kritischbekijken. Belangrijke parameters in deze context zijn de verdunningsverhouding en de vochtigheidsgraad.

20

A.3 OXIDATIEKATALYSATOR VOOR DIESEL A.3.1 Werkingsprincipe De oxidatiekatalysator bestaat typisch uit een roestvrij stalen behuizing waarin het substraat zich bevindt. Het substraat is een monoliet, meestal bestaande uit cordieriet. Op het substraat is een washcoat aangebracht waarop de katalysator is verdeeld. Veelal is het katalytische element een edelmetaal (Pt of Pd) maar tegenwoordig worden ook andere metalen gebruikt (zie verder). De oxidatiekatalysator vermindert de uitstoot van koolwaterstoffen (KWS), CO en deeltjes in de uitlaat door oxidatie van deze polluenten. [KWS] + O2 CO2 + H2O 2 CO + O2 2 CO2 De deeltjesuitstoot wordt eveneens gereduceerd door de oxidatie van de vluchtige organische fractie (VOF). De oxidatiekatalysator is niet in staat de koolstoffractie van de deeltjes te verminderen. De oxidatiekatalysator leidt wel tot de oxidatie van SO2 (gevormd in de motor door oxidatie van de S aanwezig in de brandstof of motorolie) tot SO3, wat verder met water reageert en leidt tot sulfaatvorming. 2 SO2 + O2 SO3 + H2O

SO3 H2SO4

Deze sulfaatvorming neemt toe met stijgende temperatuur. Afkoeling van de uitlaatgassen leidt vervolgens tot condensatie en kernvorming van het gasvormige sulfaat met watermoleculen resulterend in de vorming van sulfaatdeeltjes. Zoals hierboven al werd aangehaald, worden deze sulfaatdeeltjes eveneens gecollecteerd op de filter voor de deeltjesmeting zodat de deeltjesemissie toeneemt, wat resulteert in een lagere gemeten efficiëntie voor PM van de oxidatiekatalysator.

A.3.2 Performantie Uit de literatuur blijkt dat de oxidatiekatalysator de vluchtige organische fractie van deeltjes kan verminderen tot 90%, wat een reductie van deeltjes inhoudt tot 40 à 50%, afhankelijk van de samenstelling van het roet.10 In voorgaande werd reeds vermeld dat de samenstelling van de deeltjesuitstoot afhankelijk is van de werking van de motor. Bij een lagere belasting neemt het aandeel van de vaste koolstoffractie in de deeltjesuitstoot toe en is de efficiëntie van de oxidatiekatalysator naar de totale PM-vermindering dus kleiner. Modernere dieselmotoren met een hogere inspuitdruk hebben een deeltjesuitstoot met een grotere VOF/PM verhouding en bijgevolg vertoont de oxidatiekatalysator dan een grotere performantie.8 De performantie van de katalysator is functie van de uitlaatgastemperatuur. Bij zeer lager temperaturen (<150 °C) is de efficiëntie 0 en deze verhoogt bij toenemende temperatuur tot

21

een plateauwaarde bereikt wordt. De ‘light-off temperatuur’ is functie van de aard van het katalytische materiaal en de samenstelling van de washcoat. Dit betekent dat emissies bij koude start hoger zullen liggen dan wanneer de motor warm is omdat de katalysator dan nog niet optimaal functioneert. Het is echter moeilijk om de bijdrage van koude start emissies tot de totale emissies weer te geven aangezien dit afhangt van motor en gebruik van het voertuig. Zoals hierboven reeds werd aangehaald kan de vorming van sulfaatdeeltjes – gevormd uit de S in de brandstof – de gemeten performantie van de deeltjes verminderen. In dieselnet wordt aangegeven dat de efficiëntie van een oxidatiekatalysator daalt van 45% bij 300°C tot 0% bij 375°C en zelfs -70% bij 450°C.9 Volgens Nett Technologies daalt de efficiëntie bij het gebruik van conventionele diesel (368 ppm S) van 45% bij 300°C tot 0% bij 450°C, zoals weergegeven in onderstaande figuur. Deze afname van efficiëntie bij hogere temperaturen is te wijten aan de verhoogde sulfaatvorming zoals getoond in onderstaande figuur.

Figuur A.4: Deeltjesemissies vóór (engine out) en na oxidatiekatalysator (catalyst) bij 300, 400, en 550 °C11

In het DESCE-programma5 werd een motor (Cummins ISM 370) uitgerust met een oxidatiekatalysator en getest onder verschillende omstandigheden. De totale deeltjesuitstoot werd gemeten onder de 4-mode ESC-cyclus (mode 2, 3, 10 en 11), vóór en na de katalysator met verschillende brandstofsamenstellingen (S-concentratie = 3, 30, 150 en 350 ppm). De deeltjesconcentratie vertoonde geen duidelijke afname na de katalysator t.o.v. ervoor voor alle brandstofsamenstellingen, maar het aandeel sulfaat (na de katalysator) was beduidend groter voor hogere S-concentraties. Metingen uitgevoerd bij maximaal koppel (mode 2) dus hoge temperatuur en 350 ppm gaven een verhoging van de deeltjesuitstoot na t.o.v. vóór de katalysator. De deeltjesuitstoot over de heavy duty FTP-cyclus varieerde onafhankelijk van de S-concentratie. De efficiëntie was echter laag (tot 10%). Het aandeel sulfaat was klein zowel voor als na de katalysator. Dit kan verklaard worden door de lagere

22

uitlaatgastemperatuur bij de FTP-cyclus (max. 352°C en gemiddeld 239°C) aangezien de sulfaatvorming toeneemt bij hogere temperatuur. In dezelfde studie werd eveneens een typische motor voor een lichte vrachtwagen getest met een oxidatiekatalysator voor lage temperaturen. Hierbij werd een hogere efficiëntie gemeten bij de lage-T cyclus en een lagere efficiëntie bij de hoge-T cyclus o.w.v. sulfaatvorming. Gezien de sulfaatvorming temperatuursafhankelijk is, zal de mate van sulfaatvorming afhankelijk zijn van de testcyclus. Samengevat wordt de efficiëntie van de oxidatiekatalysator voor vermindering van de deeltjesemissie voornamelijk bepaald door onderstaande factoren: - zwavelgehalte in de brandstof: een hoger zwavelgehalte resulteert in meer sulfaatvorming en bijgevolg een lagere gemeten performantie - aandeel van vluchtige organische fractie in de roetdeeltjes: hoe groter het aandeel VOF, hoe groter de efficiëntie van de oxidatiekatalysator voor de vermindering van PM - uitlaatgastemperatuur (hangt af van de locatie van de katalysator en de gereden cyclus): een hogere uitlaatgastemperatuur kan (tot een bepaalde temperatuur) de efficiëntie voor CO en KWS verhogen maar verhoogt ook de sulfaatvorming wat resulteert in een verminderde efficiëntie voor PM-reductie - samenstelling van de katalysator: washcoat en katalytisch element (aard en concentratie) kunnen de sulfaatvorming verhogen of onderdrukken - celdichtheid en volume van de katalysator: de katalysator moet juist gedimensioneerd zijn voor de toepassing. Vergroten van het actieve oppervlak kan de efficiëntie voor CO en KWS verhogen maar kan ook de sulfaatvorming verhogen. De oxidatiekatalysator vermindert ook in belangrijke mate de CO- en KWS-uitstoot. De gerapporteerde reductie-efficiënties variëren van 40% tot 99% voor CO en van 55 tot 100% voor KWS. Fabrikanten beweren dat de efficiëntie voor CO en KWS meer dan 90% bedraagt. In onderstaande tabel worden de gerapporteerde efficiënties voor gasvormige componenten en PM weergegeven. Figuur A.5: Gasvormige en PM-emissiereducties bij gebruik van oxidatiekatalysator gerapporteerd in verschillende studies. Emissies

MECA12

Concawe.13

Dieselnet9

DESCE5

AECC14

(FTP en ESC)

CO KWS NOx PM

40 – 80 % 55 – 97 % 0 – 30 % (368 ppm S)

tot 70 % tot 75 % tot 15 % 20 – 30 %

35 – 80 % 55 – 65 % <0 – 45 %

41 – 99 % 90 – 100 % <0 – 45 % (0-350 ppm)

> 90% > 90 % 20 – 50 %

23

Indien de katalysator voldoende groot gedimensioneerd is voor de toepassing zal bij voldoende hoge temperatuur (300°C) de conversie van CO en KWS volledig zijn.8 De efficiëntie van CO wordt niet beïnvloed door het zwavelgehalte in de brandstof. Voor KWS werd in bepaalde gevallen een vermindering van de efficiëntie met 10% vastgesteld.5 De oxidatiekatalysator verwijdert ook de aldehyden en ketonen welke verantwoordelijk zijn voor de specifieke dieselgeur. Bovendien worden de PAK’s (deels gasvormig en deels aanwezig in de SOF van deeltjes) welke gekend zijn voor hun toxicologische effecten gedeeltelijk verwijderd uit de uitlaatgassen door de oxidatiekatalysator. Volgens een studie uitgevoerd door MECA bedraagt de efficiëntie voor PAK’s reductie van twee verschillende geteste oxidatiekatalysatoren 54 en 69 %.12 Het gebruik van een oxidatiekatalysator resulteert niet in een extra brandstofverbruik. In het VERT-project werd de deeltjesuitstoot met en zonder oxidatiekatalysator gemeten. Na installatie van de oxidatiekatalysator werd een verhoging van de deeltjesmassa en een verhoging van het aantal kleinere deeltjes (< 100 nm) gemeten. Dit is volgens de onderzoekers toe te schrijven aan de vorming van sulfaatdeeltjes. Een brandstof met Sgehalte van 400 ppm werd gebruikt.15 Verder werden geen gegevens gevonden over het effect van de oxidatiekatalysator op de deeltjesgrootte(verdeling).

A.3.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Zoals hierboven reeds werd aangehaald is de sulfaatvorming en de daarbij horende toename van de totale deeltjesuitstoot één van de nadelige effecten. De sulfaatvorming neemt toe bij hogere uitlaatgastemperaturen en bij hogere S-concentratie in de brandstof. Naast de onmiddellijke performantievermindering kan de aanwezigheid van SO2 in de uitlaatgassen ook leiden tot de beschadiging van de katalysator. Dit resulteert in lagere conversie-efficiëntie en een hogere light-off temperatuur op langere termijn. Gebruik van laagzwavelige diesel (< 50 ppm of zelfs < 10 ppm) kan dit probleem grotendeels oplossen. Verder kan ook de verdere ontwikkeling van meer selectieve katalysatoren een oplossing bieden. Verhogen van de selectiviteit gaat echter gepaard met verminderde efficiëntie. Hier moet gezocht worden naar een goed evenwicht. Een lagere katalysatorbelading kan een oplossing brengen. Lagere katalysatorconcentratie in de washcoat betekent ook een lagere temperatuur in de katalysator. Daarnaast kunnen speciale behandelingen bij productie eveneens de efficiëntie verbeteren. Zo zorgt de thermische voorbehandeling van Pt/Al2O3 voor een betere selectiviteit. Een mogelijke oplossing kan ook gevonden worden in de oxiderende eigenschappen van bepaalde washcoats. Tegenwoordig worden washcoats gebruikt die zelf in staat zijn VOF te oxideren bij lage temperaturen. Voorbeelden zijn silica (SiO2), titania (TiO2), Zirconia (ZrO2) en Siliciumcarbide (SiC). Ook zeolieten worden steeds meer gebruikt, voornamelijk bij personenwagens. Deze zijn in staat bij lage temperaturen de koolwaterstoffen te stockeren en deze bij hogere temperaturen (hoger dan de “light-off”-temperatuur van het

24

edelmetaal) weer vrij te laten. Ook kunnen basismetaaloxiden (vb. V2O3) worden toegevoegd aan de washcoat om sulfaatvorming te onderdrukken. Fabrikanten geven echter weinig informatie over de samenstelling van hun producten. In onderstaande tabel worden de belangrijkste karakteristieken van de samenstelling van een aantal oxidatiekatalysatoren weergegeven. Tabel A.2: Samenstelling van enkele oxidatiekatalysatoren ontwikkeld om de sulfaatvorming te onderdrukken9 Samenstelling (washcoat/katalytisch materiaal) CeO2(50%),Al2O3(50%)/Pt ZrO2 (gedopeerd met zeldzame metaaloxiden)/Pd TiO2(met enkele %V2O5)/Pt zeoliet/Al2O3/Pt

Fabrikant Engelhard ICT Degussa ASEC

Nett Technologies heeft naast het standaard type oxidatiekatalysator ook een tweede type op de markt dat een zeoliet gebaseerde KWS-trap bevat om een betere performantie bij lagere uitlaatgastemperaturen te verzekeren. Bovendien bevat dit type sulfaatonderdrukkers waardoor de sulfaatvorming bij hogere temperaturen beperkt wordt.11 • De oxidatiekatalysator kan ook de oxidatie van NO tot NO2 bevorderen en op deze manier leiden tot een hogere NO2/NO-verhouding in de NOx-uitstoot. Dit is een duidelijk nadelig effect indien de oxidatiekatalysator wordt gebruikt voor ‘Off-road’-voertuigen in gesloten ruimten aangezien NO2 een toxisch gas is. Voor wegvoertuigen vormt dit echter geen probleem aangezien hier de oxidatie toch optreedt tot evenwicht bereikt is. In specifieke toepassingen (CRT) wordt de oxidatiekatalysator aangewend voor de vorming van NO2 dat dan optreedt als oxidans voor de vermindering van de deeltjes (zie verder).

A.3.4 Kostprijs en marktrijpheid De oxidatiekatalysator is beschikbaar bij verschillende fabrikanten (Engelhard, JM, Eminox, HJS, Nett Technologies, ICT, …) De kostprijs van een oxidatiekatalysator voor zware voertuigen bedraagt 1000 - 2500 EUR. De efficiëntie voor deeltjesreductie kan sterk verschillen afhankelijk van de samenstelling en bijgevolg ook de kostprijs. Gedurende zijn levensduur vraagt deze geen onderhoud. De oxidatiekatalysator is reeds tientallen jaren gebruikt als emissiereductietechnologie voor de vermindering van CO en KWS. De productie- en marktrijpheid zijn dus voldoende. Niet alle beschikbare types zij echter geschikt om ook de deeltjesuitstoot voldoende te verminderen zodat hier nog de nodige optimalisatie en ontwikkeling kan gebeuren.

25

A.4 DEELTJESTRAP De deeltjesfilter omvat een heel aantal roetnabehandelingssystemen. Kortweg komt het er steeds op neer dat de deeltjes gevangen worden in een filter. Deze filter moet echter van tijd tot tijd ‘geregenereerd’ worden om een goede werking te verzekeren (goede efficiëntie, niet te hoge tegendruk en extra brandstofverbruik,…). De roetdeeltjes zullen pas verbranden indien de oxidatietemperatuur voor roet bereikt wordt. De oxidatietemperatuur van roet door zuurstof – dat in voldoende mate aanwezig is in de dieseluitlaat – bedraagt 550 à 600°C. De typische dieseluitlaatgastemperatuur bedraagt echter ‘slechts’ 200 tot 500°C, voornamelijk dan nog de lagere temperaturen. Daarom zal ofwel de temperatuur in de deeltjesfilter verhoogd moeten worden door het toevoegen van extra energie, ofwel de temperatuur waarbij de reactie kan optreden verlaagd moeten worden. In het eerste geval spreekt men van actieve regeneratie, in het tweede van passieve regeneratie. Ook een combinatie van beide is mogelijk. Er zijn momenteel een heel aantal regeneratiemethoden ontwikkeld, welke in onderstaande besproken worden. De filtratiemethode hangt af van het gebruikte filtermateriaal. Er wordt onderscheid gemaakt tussen oppervlakte- en dieptefiltratie.8 De zogenaamde “wall-flow filters” maken gebruik van het eerste principe. In onderstaande figuur wordt een schematische voorstelling gegeven van een wal l-flow filter. Deze filter bestaat uit een honingraatstructuur waarbij de kanaaltjes afwisselend aan begin en uiteinde open of gesloten zijn. Hierdoor wordt het uitlaatgas gedwongen door de wand te stromen waarbij er filtratie optreedt van de deeltjes. Eenvoudig gesteld, worden deeltjes tegengehouden omdat de poriën kleiner zijn.

Inlet

Outlet

particles

Figuur A.6: Schematische voorstelling van de deeltjesfiltratie bij een wall-flow filter (bron: AECC)

De “Deep-bed filters” maken gebruik van dieptefiltratie. Hierbij treden andere processen op zoals diffusie, thermoforese en inertie. Deze processen treden in mindere mate op bij de wall-flow filters.

26

Er bestaan reeds een heel aantal filtermaterialen: keramische monolieten (cordieriet, SiC), geweven of gebreide netten van keramische vezels, keramisch schuim, netten van metaaldraad en gesinterde metaalfilters. De collectie-efficiëntie van deze filters varieert van 50 tot 90%, hoewel tegenwoordig met de meeste filters een efficiëntie van minimaal 80% gehaald wordt. Veel gebruikt zijn momenteel de keramische monolieten. In het begin werd vooral cordieriet gebruikt maar momenteel is SiC in sterke opkomst. Ook metaalfilters zijn in sterke opkomst. Deze laatste hebben een zeer goede thermische geleidbaarheid en bijgevolg een meer uniforme regeneratie. Dit leidt tot minder kans op beschadiging van de filter. Nieuwste ontwikkelingen zijn een nieuw soort SiC (met gebonden Si-SiC) van NGK16 met een betere thermische schokbestendigheid dan conventionele SiC en Siliciumnitride (Si3N4) van AGC (Asahi Glass Co.).17 Deze laatste is bestand tegen hogere temperaturen dan cordieriet en heeft een betere thermische schokbestendigheid dan SiC.

A.4.1 De katalytische deeltjesfilter: regeneratie door katalytische coating op filterelement A.4.1.1 Werkingsprincipe De meeste katalytisch deeltjesfilters gebruiken een monoliet “wall-flow filter” als substraat gecoat met een katalytisch materiaal. Soms wordt op het substraat eerst een washcoat aangebracht waarop het katalytische element wordt verdeeld. In bepaalde gevallen is het echter mogelijk de katalysator rechtstreeks op de filter aan te brengen (vb. Pt op cordieriet). Het katalytische materiaal verlaagt de oxidatietemperatuur van het roet zodat periodiek zelfregeneratie optreedt bij voldoende hoge uitlaatgastemperaturen. De regeneratietemperatuur hangt af van het gebruikte katalytisch materiaal en is typisch 300400°C. Porous Filter Wall

Dirty Exhaust Inlet Channels

Catalyst

Plug

Plug

Cleaned Exhaust Outlet Channels

Figuur A.7: Schematische voorstelling van de katalytische deeltjesfilter

Het substraat is meestal een keramische monoliet (cordieriet of SiC). Maar ook andere materialen zoals keramische schuimen of metalen kunnen gebruikt worden. Als katalytisch materiaal wordt meestal Pt gebruikt. Maar ook andere edelmetalen (Pd, Rh, Ru) en niet-edel metalen (K, Ce, Mg, Zr, Ca, Cu, Ag, V, Ca, Sr, Ba ) worden in de literatuur

27

beschreven.8,9 In vele gevallen worden de niet-edelmetalen in de vorm van oxide aangewend als katalytisch materiaal. De DPXTM Catalytic Soot Filter van Engelhard bestaat uit een cordieriet filter met 5-150 g/ft3 Pt/Rh-verhouding van 5/1 en 30-1500 g/ft3 MgO.9 De regeneratie temperatuur bedraagt 375-400°C. Rh zorgt ervoor dat de oxidatie van SO2 onderdrukt wordt.

A.4.1.2 Performantie Engelhard claimt reducties van 90% voor C-fractie van deeltjes, 98% voor SOF, 90% CO en KWS en vereist geen laagzwavelige diesel (500 ppm S tolerant).18 Toch raadt de fabrikant het gebruik van S-arme brandstof aan. Testen uitgevoerd in het kader van het DECSE-programma 5,19 toonden aan dat de efficiëntie van een CR-DPF (Catalytic Regenerating Diesel Particle Filter) voor PM-reductie meer dan 95% bedroeg tijdens de gewogen 4-mode ESC-cyclus bij het gebruik van zwavelvrije diesel (<3 ppm). De efficiëntie daalde echter bij het gebruik van een dieselbrandstof met een zwavelgehalte van 30 ppm naar 74% en bedraagt bij 150 ppm nagenoeg 0%. Hieruit concludeerde men dat de conversie van S uit de brandstof naar sulfaten tijdens de ESC-cyclus 40 tot 50 % bedraagt. Uit dit onderzoek blijkt eveneens dat de regeneratietemperatuur (waarbij de oxidatie van PM gebeurt) toeneemt bij het gebruik van 30 ppm brandstof (in vergelijking met 3ppm). In de MECA-studie werden PMreducties gemeten van 70% over de FTP-cyclus met een brandstof met S-gehalte van 368 ppm.12 De efficiëntie voor de vermindering van gasvormige emissies van de katalytische roetfilter hangt sterk af van het actieve katalytisch element. Filters met Pt als katalytisch element bereiken hoge CO en KWS conversie-efficiënties, typisch respectievelijk 90-99% en 58-82%. Voor basismetalen wordt een veel lagere efficiëntie voor CO en KWS verwacht. De MECA-studie gaf reducties aan voor KWS en CO van respectievelijk 94 % en 63 %. NOx wordt weinig verminderd door het gebruik van een katalytische deeltjesfilter.12 Bovendien werd in de MECA-studie een vermindering van PAK’s gemeten van 89%.12 Een toename van het brandstofverbruik van 0-2% werd gemeten. Metingen in reëel verkeer uitgevoerd door Vito op een Euro 2 bus toonden eveneens een goede efficiëntie aan voor CO, KWS en PM.20 A.4.1.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Zoals hierboven reeds werd besproken is de sulfaatvorming een van de nadelige eigenschappen van de katalytische deeltjesfilter. Optimalisatie van de katalytische deeltjesfilter en verlagen van het S-gehalte in de brandstof kunnen hier een oplossing brengen.

28

• Ook de verhoging van de NO2/NO-verhouding verdient de nodige aandacht indien de roetfilter in gesloten ruimten gebruikt wordt. NO2 is immers een toxisch gas zodat een te hoge concentratie in gesloten ruimten dient vermeden te worden. Bij het gebruik van de katalytische deeltjesfilter voor wegvoertuigen vormt dit echter geen probleem aangezien NO in de omgevingslucht binnen een korte tijd steeds omgezet wordt in NO2.

• Asaccumulatie in de deeltjesfilter kan een regelmatige reiniging vereisen. Door de toenemende asdepositie op de filter zal de tegendruk immers toenemen. De assen bevatten metaaloxiden welke in de motor gevormd werden uit additieven aanwezig in de motorolie. De filter zal dus op regelmatige tijdstippen gereinigd dienen te worden, afhankelijk van de gebruikte motorolie.

A.4.1.4 Marktrijpheid en kostprijs De kostprijs van de katalytische deeltjesfilter van Engelhard bedraagt gemiddeld bijna 5000 EUR, afhankelijk van de vereiste grootte voor de toepassing. Een katalytische deeltjesfilter is eveneens beschikbaar bij Nett Technologies. Deze is beschikbaar met cordieriet en SiC als substraat. De kostprijs is afhankelijk van de toepassing en bedraagt 5000 – 9000 EUR. In het kader van het retrofit programma werd de filter van Engelhard goedgekeurd door de ARB (Air Resource Board).21 Hierbij werden echter enkele voorwaarden gedefinieerd zoals het gebruik van diesel met max. 15 ppm S, een gemiddelde uitlaatgastemperatuur van 225°C, een goed onderhouden motor (geen olieverbruik) en de installatie van een tegendruksensor en indicatorlampje. De deeltjesfilter is in principe geschikt voor verschillende dieseltechnologieën (Euro 0, 1, 2, …).

A.4.2 CRT (Continuous Regenerating Trap): regeneratie door NO2 A.4.2.1 Werkingsprincipe De regeneratie door NO2 staat bekend als CRT (Continuous Regenerating Trap).22 Deze technologie, ontwikkeld door JM, gebruikt NO2 als oxidans voor de oxidatie van de roetdeeltjes. De oxidatie van roet door NO2 gebeurt immers bij lagere temperaturen (vanaf 250°C) dan de oxidatie door zuurstof (550°C). 23 Onderstaande figuur illustreert de lagere oxidatietemperatuur van roet door NO2. In een experiment werd eenzelfde hoeveelheid roet opgewarmd in aanwezigheid van NO2 of O2. De CO2-concentratie - een maat voor de hoeveelheid roet geoxideerd - werd gemeten in functie van de temperatuur. Hieruit blijkt duidelijk dat bij het gebruik van NO2 als oxidans, de oxidatie start bij lagere temperaturen.

29

Figuur A.8: CO2-intensiteit (als maat voor roetoxidatie) in functie van temperatuur voor NO2 en O2 als oxidans

Omdat in normale uitlaatgassen onvoldoende NO2 aanwezig is om het opgevangen roet te oxideren bevindt zich stroomopwaarts van de deeltjesfilter een oxidatiekatalysator. Deze oxidatiekatalysator (Pt) zet de NO in de uitlaatgas om in NO2. De NO2 zal in de deeltjesfilter de gevangen roetdeeltjes oxideren tot H2O en CO2 (en mogelijk nog producten van onvolledige verbranding) en zelf opnieuw gereduceerd worden tot NO. Oxidatiekatalysator: NO + O2 Deeltjesfilter: C + 2 NO2 (2 C + 2 NO2

NO2 CO2 + 2 NO 2 CO2 + N2)

In onderstaande figuur wordt de CRT schematisch voorgesteld.

30

Figuur A.9: Schematische voorstelling van de CRT (Bron: Eminox)

A.4.2.2 Performantie Uit bovenstaande beschrijving van het werkingsprincipe van de CRT kunnen we afleiden dat voor een goede werking een aantal randvoorwaarden vervuld moeten zijn. Zo moet de uitlaatgastemperatuur voldoende hoog zijn en de verhouding NOx/PM in de uitlaatgas groot genoeg zijn. Bovendien mag – omwille van de aanwezigheid van een oxidatiekatalysator – het zwavelgehalte in de brandstof niet te hoog zijn. Volgens JM is een uitlaatgastemperatuur van 275 °C, een S-gehalte van max. 50 ppm en een NOx/PMverhouding van minstens 8/1 vereist. Volgens Zelenka kan door het gebruik van een CRT met een Euro 2-motor de Euro 4-norm voor PM bereikt worden met S-vrije brandstof (<10 ppm).24 JM beweert zelfs dat de Euro 5 (= Euro 4 voor PM) emissiestandaard gehaald kan worden met een Euro 1-motor.25 In onderstaande tabel wordt de gerapporteerde performantie van de CRT uit enkele onderzoeksprojecten weergegeven. Deze resultaten zijn steeds bekomen bij het gebruik van S-vrije brandstof (<10 ppm). Verhogen van het zwavelgehalte kan echter de efficiëntie van de CRT verminderen zoals verder besproken wordt. Gasvormige emissies CO en KWS worden eveneens in belangrijke mate gereduceerd. In onderstaande Tabel worden de emissiereducties gemeten in het DECSE-programma en andere studies weergegeven. De invloed van het zwavelgehalte op de gasvormige emissiereducties bleek niet significant. Voor NOx werden kleine reducties vastgesteld waarbij slechts bepaalde testen significant waren. Aldehydes zouden gereduceerd worden met 50-90%.5 Uit de MECA-studie is gebleken dat de CRT de PAK’s met gemiddeld 84% vermindert.12

31

Tabel A.3: Reducties voor deeltjes en gasvormige emissies over verschillende testen bij gebruik van CRT. Testcyclus % reductie PM ESC cyclus 95 Max. koppel 93 Max. belasting 94 ECE R49, ESC, 95 ETC US FTP transient ESC 89 US FTP transiënt 87 (54 ppm S)

% reductie HC 83 (68-91) 89 90 85-95 70-90 96 95

% reductie CO 90-99 90-99 90-99 85-95 70-90 94 93

Referentie 5

26,25

27 12

5

Testen uitgevoerd op een Caterpillar 3126 motor (205kW @ 2200, modeljaar 1999). Testen uitgevoerd op enkele HD Euro 1 en Euro 2 motoren 3,27 Testen uitgevoerd op DAF (Euro 1) motor 12 Testen uitgevoerd op een gekoelde turbo dieselmotor (300 kW @ 1800, modeljaar 1998) 26

Volgens Hawker neemt ook het aantal nanodeeltjes af bij het gebruik van een CRT. Metingen op een Euro 2 motor bij 1445 tpm (bij verschillende belastingen) toonden aan dat de deeltjesaantallen verminderden bij het gebruik van een CRT met minstens 86% en in de meeste gevallen meer dan 95%.28 In onderstaande figuur wordt de efficiëntie in functie van de deeltjesgrootte weergegeven.25

Figuur A.10: PM reductie-efficiëntie in functie van deeltjesgrootte

32

In bepaalde studies wordt een beperkte toename van het brandstofverbruik gerapporteerd, gaande van 0-1%27 tot 1.4%.5 In het kader van deze studie voerde Vito metingen uit in reëel verkeer op een Euro 2-bus bij De Lijn uitgerust met een CRT. De resultaten zijn in overeenstemming met de literatuur en worden weergegeven in Deel B van deze studie. A.4.2.3 Moeilijkheden/ aandachtspunten • Omdat de oxidatie van deeltjes best gebeurt in een overmaat NO2 zal de verhouding NO2/NO (of het aandeel van NO2 in NOx) in de uitlaat groter zijn dan zonder deze CRT. Uit een Nederlandse studie bleek dat het percentage NO2 (in de totale NOx-emissie) in de Nederlandse stadsbuscyclus toenam van 5% tot 30% met CRT.27 Door ander bronnen werd een verhoging van de NO2/NOx-verhouding 20-60% gerapporteerd in vergelijking met een waarde van 5% voor een onbehandelde dieseluitlaat.22 Zoals reeds eerder vermeld kan ditin gesloten ruimten een probleem vormen aangezien NO2 een toxisch gas is. Bij het gebruik van de CRT voor wegvoertuigen vormt dit echter geen probleem aangezien NO in de omgevingslucht binnen een korte tijd toch omgezet wordt in NO2. • De oxidatietemperatuur van roet wordt verlaagd door het gebruik van een CRT maar toch moet gedurende een bepaald percentage van de operatieduur een minimum temperatuur bereikt worden. Bij zwaar vervoer wordt verwacht dat dit geen probleem zal opleveren maar personenwagens zouden dit nabehandelingssysteem niet kunnen gebruiken. Indien de regeneratietemperatuur niet regelmatig bereikt wordt leidt dit tot een verhoogde tegendruk met een verhoogd verbruik en op lange termijn motorschade tot gevolg. Het is daarom belangrijk dat de oxidatiekatalysator goed gedimensioneerd is.9 Het is steeds aangewezen om vooraf na te gaan of de uitlaatgastemperatuur - welke functie is van de motortechnologie en de specifieke gebruik van het voertuig - voldoende hoog is. Zo blijken niet alle Euro 3motoren geschikt omwille van een te lage uitlaatgastemperatuur. Bijkomende actieve regeneratie kan hier een oplossing bieden. • Omwille van de aanwezigheid van een oxidatiekatalysator is dit systeem eveneens gevoelig aan het zwavelgehalte in de brandstof. Uit de DECSE-studie blijkt dat de performantie 95% bedraagt (over de 4-mode ESC cyclus) bij het gebruik van S-vrije diesel (3 ppm). De efficiëntie van de trap vermindert echter wanneer het zwavelgehalte toeneemt. In onderstaande figuur worden de PM-reductie in functie van het S-gehalte weergegeven.

33

PM reductie (%)

90

40

-10

3 ppm

30 ppm

150 ppm

350 ppm

-60

-110

-160

S-gehalte

Figuur A.11: PM-reductie in functie van het S-gehalte in de brandstof5 Bovendien neemt de BPT (Balance Point Temperature) – dit is de temperatuur waarbij de vorming en afbraak van deeltjes in evenwicht zijn – toe met 25°C van 3 tot 30 ppm. Het was wel mogelijk om na gebruik van diesel met een hoger S-gehalte de deeltjestrap opnieuw te regenereren door het gebruik van zwavelarme brandstof (30 ppm). JM bestudeerde eveneens de invloed van het zwavelgehalte van de brandstof op de deeltjesemissies.3 Zij gebruikten als referentiebrandstof de Zweedse MK1 diesel (S-gehalte = 2 ppm) en dopeerden deze brandstof met S tot zwavelconcentraties van 10 tot 50 ppm. De katalysator bestaat uit een keramisch monoliet als substraat met een celdichtheid van 62 cellen per cm2 (afmetingen: d = 266,7 mm, l = 152,4mm en wanddikte = 0,15mm). De deeltjesfilter bestaat uit cordieriet en heeft een celdichtheid van 15 cellen per cm2 (afmetingen: d = 266,7 mm, l = 304,8mm en wanddikte = 0,43mm). De motor die gebruikt werd in deze studie was een 12L 310 kW gekoelde turbo. De deeltjesemissie over de ESC bedroeg ongeveer 0.163 g/kWh zonder CRT. In onderstaande figuur wordt de deeltjesemissie over deze testcyclus weergegeven in functie van het zwavelgehalte.

34

Figuur A.12: Effect van het S-gehalte op de deeltjesuitstoot (massa) van dieselmotor uitgerust met CRT3

Hieruit kunnen we besluiten dat de efficiëntie van de CRT over de ESC afneemt van 95% bij 2 ppm tot 83% bij 44 ppm. Eveneens is duidelijk dat een zwavelgehalte van 10 tot 15 ppm vereist is om de Euro 4/5 PM normen te halen. De auteurs concluderen uit het aanwezige intercept in de grafiek dat eveneens S in de motorolie verantwoordelijk is voor sulfaatvorming en bijgevolg toename in de gemeten deeltjesmassa. Volgens berekeningen wordt ongeveer 50% van de in de brandstof aanwezige zwavel, omgezet in sulfaat. De auteurs beweren dat de CRT nog steeds goed werkt bij het gebruik van 50 ppm S diesel en dat de ‘roet’-reductie dan nog 90% bedraagt maar dat het gevormde sulfaat de gemeten deeltjesmassa verhoogt. Een juiste formulering van de oxidatiekatalysator (zie hierboven) kan de sulfaatvorming onderdrukken. Het gebruik van S-arme brandstof kan eveneens het probleem van de sulfaatvorming verhelpen.

A.4.2.4 Kostprijsen marktrijpheid Eminox, HJS zijn op de markt met een dergelijke deeltjesfilter. Ook Volvo levert vrachtwagens uitgerust met een deeltjesfilter, geïnstalleerd in de fabriek. Het gaat hierbij steeds om de technologie gepatenteerd door JM. De prijs van de Eminox CRT bedraagt geïnstalleerd ongeveer 5000 EUR. Bij Volvo kunnen eveneens trucks en bestelwagens uitgerust worden met een CRT en de extra kost bedraagt afhankelijk van de grootte tussen 3000 en 5000 EUR. HJS geeft voor toepassing op een Euro 1 en 2 motor een richtprijs aan van 6000 – 8000 EUR, afhankelijk van het motorvermogen. Indien een Euro 0 motor moet uitgerust worden moeten vooraf de specifieke randvoorwaarden uitvoerig bekeken worden. Een Euro 3 voertuig kan eveneens uitgerust worden met een CRT indien de uitlaatgastemperatuur voldoende hoog is (hangt af van de constructeur).

35

Momenteel zijn ongeveer 20000 voertuigen in Europa en Amerika uitgerust met een CRT. Veel van deze systemen hebben de wettelijke US en voorgestelde EU duurzaamheidtesten doorstaan en werken nog steeds goed.26 Volgens deze studie bedraagt de conversieefficiëntie na meer dan 100 000 km nog steeds tussen 80 en 95%. Asaccumulatie in de filter kan resulteren in een toename van de tegendruk. De fabrikant adviseert regelmatig (ongeveer 1 maal per jaar) het filterelement te draaien om op deze manier de filter te reinigen. Bij het gebruik van typische EU HD diesel olie van ongeveer 1.8% residuele as dient de CRT typisch eens per jaar te worden omgedraaid. De CRT van JM werd gecertificeerd door de ARB in het kader van het ‘Voluntary Diesel Retrofit Program’. Hierbij werden een aantal criteria gedefinieerd waaraan voldaan moet zijn. De gebruikte dieselbrandstof mag max. 15 ppm S bevatten. De uitlaatgastemperatuur moet minstens 40 % van de tijd boven de 275 °C zijn. Bovendien moet de motor goed onderhouden worden en een tegendruksensor geïnstalleerd worden.21

A.4.3 Katalytische regeneratie op basis van brandstofadditief: ‘fuel borne catalyst’ A.4.3.1 Werkingsprincipe Een andere mogelijkheid om de deeltjesfilter regelmatig te regenereren is het toevoegen van een additief aan de brandstof. Dit additief of katalysator opgelost in de brandstof (‘fuel borne catalyst’ of ‘fuel soluble catalyst’) verlaagt de roetregeneratietemperatuur. Het additief is meestal een organometaal dat bij de verbranding in de motor omgevormd worden tot metaaloxide. Ook edelmetalen worden gebruikt als additief en katalysator. Het metaaloxide of edelmetaal zal in de roetdeeltjes worden opgenomen en aldus optreden als katalytisch element dat de verbrandingstemperatuur van roetdeeltjes verlaagt. De roetdeeltjes worden samen met de katalysator opgevangen in de deeltjesfilter waar de regeneratie plaats heeft. Het principe van regeneratie is hetzelfde als bij de katalytische deeltjesfilter maar het voordeel van een fuel-borne catalyst is het betere contact van de katalysator met de roetdeeltjes waardoor de regeneratietemperatuur lager ligt (± 100°C). In onderstaande figuur wordt het werkingsprincipe van de roetfilter met brandstofadditief getoond.

36

Figuur A.13: Werkingsprincipe van de deeltjesfilter met katalysator in de brandsof. 1) filtratiemode, 2) regeneratiemode, 3) geregenereerde filter. (PSA, Bron: AECC)

In onderstaande tabel worden een aantal mogelijke additieven weergegeven. Deze additieven zijn op laboschaal getest en zijn momenteel commercieel verkrijgbaar of bevinden zich in een fase van veldevaluatie. Tabel A.4: Additieven voor het gebruik als ‘fuel borne’ catalyst29, 9 Metaal Ijzer (ferroceen) Ijzer(Fe)-strontium(Sr) Cerium(Ce) Platina (Pt) / Cerium (Ce)

commerciële naam Satacen Octimax 4800 Eolys Platinum Plus

Koper (Cu)* OS 96401 * Is ondertussen uit de handel genomen9

fabrikant Octel, (Pluto) Octel30 Rhodia31, (Octel) Clean Diesel Technologies32 (Lubrizol) Lubrizol

In het VERT-project werden verschillende filters geschikt bevonden voor enkele van bovenstaande additieven. De additieven Satacen en Eolys werden goedgekeurd in dit project.29 De testen werden uitgevoerd op ‘off road’ voertuigen. De regeneratie met behulp van een additief wordt eveneens gebruikt in combinatie met andere regeneratiemethoden die de uitlaatgastemperatuur verder verhogen of de regeneratietemperatuur verlagen. In punt 4.3.4 wordt dit verder besproken.

37

A.4.3.2 Performantie In het VERT-project werden deeltjesfilters met additieven onderzocht. Een performantie voor PM (massa) van 80-90% werd gemeten bij verschillende stationaire punten. De deeltjesaantallen werden gereduceerd met >99%.15,31 Hierbij dient opgemerkt te worden dat enkel vaste deeltjes gemeten werden en geen condensaten. In de MECA-studie werd een efficiëntie voor deeltjes van 88% gemeten volgens de FTP-cyclus.12,31 In Frankrijk werd een dergelijk systeem uitgetest op bussen in de stad Laval. Het gaat om het systeem CARMEX® ontwikkeld door de firma’s AIRMEEX en 3M. CARMEX® bestaat uit een oxidatiekatalysator (metaal) en deeltjesfilter Nextel (gemaakt door 3M) en vereist bovendien een additief.33 Hier werd een additief van Octel gebruikt (Octimax). Het additief laat toe de filter te regenereren bij een temperatuur van 250 à 350°C. Sinds oktober 1998 werden 13 oude Renault-bussen (Euro 0) uitgerust met dergelijke systemen. De roetuitstoot zou verminderen met 90% en de bussen zouden op deze manier de Euro 2-norm halen. Het gebruik van deze systemen vereist geen S-arme diesel. De gasvormige emissies worden in mindere mate gereduceerd door deze technologie. In de MECA-studie werden KWS- en CO-verminderingen van respectievelijk 40 en 20% gemeten over de FTP-cyclus.12,31 In het VERT-project werd bij het gebruik van een edelmetaal als additief waargenomen dat de performantie voor KWS en CO bij een nieuwe filter toenam na gebruik van deze filter. PAK’s zouden verminderd worden met 10%.31 Laboratoriumtests uitgevoerd op een 5.9L DI, turbo, luchtgekoelde dieselmotor (119kW bij 250 tpm) en uitgerust met een ‘fiber’-filter en Fe-additief (4 ppm), resulteerden in een extra verbruik van 0.85%. Veldtesten op stadsbussen in Boekarest gaven een meerverbruik aan van 6%. Een verhoogd brandstofverbruik van 4.7% werd gerapporteerd in een 700h durende laboratoriumtest met het Ce-additief (12 ppm). Bij de roetfilter van PSA werd een extra verbruik van 5% geregistreerd te wijten aan de toegenomen tegendruk en de postinjectie van de brandstof.9 Metingen in reëel verkeer uitgevoerd door Vito op een Euro 2 bus toonden eveneens een goede efficiëntie aan voor CO, KWS en PM.20 A.4.3.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Een van de aandachtspunten is de toevoeging van het additief. Zoals hierboven werd vermeld kan deze best in het voertuig zelf gebeuren maar dit heeft als nadeel dat het systeem ingewikkelder wordt. De ‘fuel-borne catalyst’ is in principe een passieve regeneratie van de deeltjesfilter. De automatische toevoeging van het additief telkens wanneer wordt bijgetankt is de beste methode maar vraagt de nodige sturing. Dit heeft bovendien als voordeel dat de stabiliteit van het additief in de brandstof beter gewaarborgd wordt. Indien het additief reeds in de brandstof aanwezig is bij het tanken bestaat het gevaar dat deze brandstof gebruikt wordt door voertuigen die niet uitgerust zijn met een deeltjesfilter. Dit zou uitstoot van metaaldeeltjes tot gevolg hebben wat zeker vermeden dient te worden.

38

Bovendien moet dan de stabiliteit van het additief in de brandstof over een langere periode gewaarborgd worden. • De asdepositie afkomstig van het additief zorgt ervoor dat de regeneratiecapaciteit beperkt is. Na elke regeneratie blijft er een zekere hoeveelheid as over wat de tegendruk telkens verhoogt. Daarom moet periodisch de filter gereinigd worden. Deze reiniging bestaat erin water tegen een hoge druk door de filter te blazen in tegenstroomrichting. Dit gebeurt veelal door de fabrikant. Hierbij komen metaaloxides of zouten vrij die dan gerecycleerd kunnen worden. Een deel van de gevormde anorganische as kan uitgestoten worden door de filter, wat uiteraard vermeden dient te worden (zie verder). De asdepositie hangt ook af van de hoeveelheid katalysator in de brandstof. Een hogere concentratie betekent een lagere regeneratietemperatuur maar anderzijds ook een snellere toename van de drukval over de filter. Hier moet dus een compromis gezocht worden. • Onderzoek heeft uitgewezen dat bij een te hoge dosering van het additief kleine deeltjes gevormd kunnen worden die geen condensaten zijn maar gevormd uit anorganische as. Optimalisatie van de dosering is dus noodzakelijk.34 In de VERT-studie werden eveneens kleine asdeeltjes gemeten maar deze werden (bij de juiste keuze van de filter) weerhouden in het filterelement. In onderstaande figuur wordt de deeltjesgrootteverdeling met en zonder additief zowel met als zonder filter weergegeven. Het toevoegen van een additief verhoogt duidelijk de uitstoot van kleinere deeltjes maar met filter is de uitstoot steeds lager ten opzichte van de afwezigheid van een nabehandelingstechnologie.

Figuur A.14: Effect van brandstofadditief voor filterregeneratie op de uitgestoten deeltjesgrootte

• Het gebruik van een additief kan ook leiden tot de vorming van secundaire polluenten wat uiteraard vermeden moet worden. Temperaturen van 400°C worden bereikt en de aanwezigheid van metalen en Cl zou de vorming van dioxines kunnen veroorzaken. In het VERT-project15 werd dit getest en hieruit bleek dat voor Ce en Pt geen verhoogde dioxineuitstoot gemeten werd. Enkel indien de dieselbrandstof gedopeerd werd met 10 ppm chloor werd een verhoging van dioxines gemeten in de uitlaatlucht. Voor Cu zijn er echter aanwijzigingen dat de dioxine-emissies verhoogd kunnen worden. Dit additief is dan ook uit de markt genomen.

39

• Bij slecht gebruik of slechte regeneratie kan het aanwenden van een additief leiden tot motorschade. Zo werd bij vorkheftrucks van Deutz, uitgerust met een filter en Fe-additief, aangetaste injectoren vastgesteld.35 Uit laboratoriumtest36 bleek dat het regeneratieverloop tussen Cu enerzijds en Fe en Ce anderzijds duidelijk verschilt. In het geval van Cu zal meer roet geaccumuleerd worden alvorens de katalytische regeneratie optreedt. Dit leidt tot hogere temperaturen in de filter en bijgevolg kans op filterschade indien een keramische filter wordt gebruikt.

A.4.3.4 Kostprijs en marktrijpheid PSA ontwikkelde een nabehandelingssysteem waarin deze technologie wordt toegepast. In het systeem van PSA worden naast de passieve regeneratiestrategie (fuel-borne catalyst) ook actieve methoden toegepast om de uitlaatgastemperatuur te verhogen. De regeneratietemperatuur wordt verlaagd tot 450°C met behulp van Ce-additief (EOLYS) en siliciumcarbide trap. Het additief bevindt zich in een aparte tank (5L) en wordt aan de brandstof toegevoegd telkens wanneer getankt wordt. De temperatuur in de deeltjesfilter wordt bovendien verhoogd door een postinjectie van de brandstof in de expansiefase zodat naverbranding optreedt en de temperatuur in de uitlaat verhoogt met 200 tot 250 °C. Daarenboven wordt een oxidatiekatalysator stroomopwaarts van de deeltjestrap geplaatst die de onverbrande KWS van de naverbranding oxideert wat een bijkomende verhoging van de uitlaatgastemperatuur van 100°C tot gevolg heeft. Elke 80 000 km moet de filter gereinigd worden (zie hierboven) en het additief worden bijgevuld. De kostprijs hiervan wordt op 500 EUR geschat. Peugeot past deze deeltjesemissiereductietechnologie toe op de nieuwe motoren DW12TED4 waarmee de nieuwe 607 uitgerust is.37 Peugeot wil deze technologie toepassen op alle modellen; momenteel is reeds de 406 HDi 2.2, de 307 en de 807 verkrijgbaar met een roetfilter. Ook ander merken gebruiken deze technologie: Citroën C5 en C8, Fiat Ulysse en Lancia Phedra.38 De PSA groep verkocht reeds 400,000 wagens met roetfilter (januari 2003). Voor de Euro 4 versies van nieuwe motoren van PSA zal een nieuwe generatie additieven gebruikt worden met een lagere dosering (10 ppm in plaats van 25 ppm). Hierdoor zal slechts na 120,000 km onderhoud noodzakelijk zijn omwille van de geringere asdepositie. Het nieuwe additief is cerium-ijzer (Rhodia) in een 1.5 L-tank aan boord van het voertuig.39 De kostprijs van het CARMEX systeem wordt geraamd op 3000 tot 4500 EUR en de prijs van het additief bedraagt iets meer dan 1 (1.2) Eurocent. De dosering bedraagt 1 à 2 L per 2500 L diesel. De producenten beweren dat de levensduur 150000 km bedraagt en geven een garantie van 90000 km. Verschillende producenten zijn op de markt met een roetfilter met additief. Vele hiervan zijn toegespitst op de ‘Off-road’ markt. Verder wordt verwezen naar de filterlijst opgesteld in het kader van de VERT-project.29

A.4.4 Thermische regeneratie met dieselbrander9

40

A.4.4.1 Werkingsprincipe De deeltjesfilter kan geregenereerd worden door de uitlaatgastemperatuur te verhogen. De uitlaatgastemperatuur kan opgedreven worden door gebruik te maken van een brander of door elektrische verwarming. Dit laatste zal in een volgend paragraaf worden besproken. Er zijn ook nog andere methoden om de uitlaatgastemperatuur te verhogen maar deze worden hier verder niet besproken. Bij het gebruik van een brander kunnen in principe verschillende brandstoffen gebruikt worden maar het gebruik van diesel ligt het meest voor de hand. De regeneratie moet goed geregeld worden want het is belangrijk dat de temperatuur in de filter niet te hoog oploopt. Een mogelijkheid is de regeneratie steeds bij stationair draaien te laten plaatsvinden maar dit zou interventie van de bestuurder vragen wat minder interessant is. Deutz heeft een roetfilter met dieselbrander ontwikkeld en op de markt gebracht onder de naam DPFS. Het eerste systeem werd reeds verbeterd tot DPFS II en wordt weergegeven in onderstaande figuur.

Figuur A.15: Roetfilter met dieselbrander van Deutz

Om de regeneratie optimaal te laten verlopen wordt de brander gestuurd op basis van temperatuurmetingen van de uitlaat voor de filter (TA), aan de brander (TB), voor de filter (TvF) en aan de uitlaat van de filter (ThF).

A.4.4.2 Performantie De performantie van deze filter werd gemeten aan een Euro 0 voertuig bij 188 kW @ 2300 min-1 volgens de Duitse BMU trap test (dit is de ECE-49 test gemodificeerd voor dieselfilter testen). De collectie-efficiëntie bedraagt 90%. Gasvormige emissies (CO, NOx, KWS) werden niet beïnvloed door de filter. De filter zou ook nanodeeltjes verminderen en PAK's. Testen van dit systeem op bussen hebben aangetoond dat het extra verbruik 1-2% bedraagt.

41

A.4.4.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Een belangrijk aandachtspunt is de goede afstelling van de regeneratie. Te vaak regenereren verhoogt onnodig het extra verbruik. Indien te lang gewacht wordt kan door de hoge roetconcentratie de temperatuur bij regeneratie toenemen en mogelijk filterschade veroorzaken. Bovendien zal dan het verbruik toenemen ten gevolge van verhoogde tegendruk. • De relatief hoge kostprijs is eveneens een nadelig punt. Dit komt door de complexiteit van het systeem.

A.4.4.4 Kostprijs en marktrijpheid Het systeem van Deutz kost bijna 10000 EUR zonder installatie voor motoren tot 180kW. De prijs voor zwaardere motoren ligt hoger. Dit systeem is ook geschikt voor het gebruik in bussen en trucks. Ook HJS is op de markt met een dieselfilter met brander.40 Deze wordt gecombineerd met een additief. De filter bestaat uit gesinterde metaalplaten. Dit systeem werd ontwikkeld voor heftrucks en kost geïnstalleerd bijna 5000 EUR.

A.4.5 Dieselfilter met elektrische regeneratie A.4.5.1 Werkingsprincipe Een ander manier om de temperatuur in de filter te verhogen is gebruik te maken van elektrische energie. Donaldson ontwikkelde een dieselfilter met elektrische regeneratie. Het is een ingewikkeld systeem bestaande uit 2 gelijke filters. Deze twee filters worden afwisselend beladen en geregenereerd. Meer dan 2000 bussen werden uitgerust met een dergelijk systeem. De filters zijn 'wall-flow' monolieten. De filters worden beladen tot een bepaalde belading is bereikt. Daarna wordt een warme luchtstroom over de filter geblazen en wordt de filter geregenereerd. Gedurende regeneratie worden de uitlaatgassen over de andere filter geleid. Vanaf 1994 is dit product echter niet meer beschikbaar. Dergelijke systemen bestaan ook in enkelvoudige varianten waarbij slechts één dieselfilter voorzien is. Tijdens de regeneratie moeten dan de uitlaatgassen via een bypass worden weggeblazen. De gemiddelde filtratie-efficiëntie daalt hierdoor. De regeneratie van de dieselfilter kan ook buiten het voertuig gebeuren. Engelhard is momenteel op de markt met een dergelijk systeem STX genaamd. De gebruikte dieselfilter bestaat uit Nextel vezel cartridges. In elk van de cartridges bevindt zich een metalen verwarmingselement. Aangezien de regeneratie op een vaste locatie dient te gebeuren is dit systeem vooral geschikt voor heftrucks en dergelijke.

42

UNIKAT heeft eveneens een filter met elektrische regeneratie op de markt. De filter wordt ook via een externe regeneratie-eenheid geregenereerd. Er is zowel een model met een cordierietfilter als een met een siliciumcarbidefilter beschikbaar. 41 Bekaert heeft recent eveneens een dieselfilter met elektrische regeneratie ontwikkeld, BEKADEC®. Het gaat momenteel nog om een prototype waaraan in de toekomst nog verdere verbeteringen zullen gebeuren. Het filterelement is gemaakt van gesinterde metaalvezels uit een FeCr-legering (Bekipor®). Het systeem is opgebouwd uit verschillende filterelementen gegroepeerd in parallelle reeksen van opeenvolgende elementen. Een voorbeeld prototype is de 4*8 filter stack. De elektrische geleidbaarheid van het metaal waaruit de filter is opgebouwd, wordt gebruikt voor de regeneratie van de deeltjesfilter. Gedurende de regeneratie wordt een van de parallelle filterelementen (of stack van filterelementen) afgesloten.

A.4.5.2 Performantie Het Donaldson-system werd getest op een Detroit Diesel motor. Voor deeltjes werd een performantie waargenomen van 85%. De NOx en KWS emissies werden bijna niet beïnvloed en de CO-uitstoot verhoogde met 20%. In reëel verkeer werd een extra verbruik van 3% vastgesteld. Testen op verschillende heftrucks uitgerust met de STX filter van Engelhard gaven een filtratie-efficiëntie aan van meer dan 80%, meestal zelfs 90%. UNIKAT claimt zelf een efficiëntie van hun filters van meer dan 90%.41 Het Bekaert- systeem werd uitgetest op een 1.9L TDI motor van VW volgens de ESC voor HD. De PM-reductie van het filtermateriaal bedroeg voor alle werkingspunten tussen 8595%. De efficiëntie van het filtermateriaal werd getest voor verschillende deeltjesgrootte en dit resulteerde in en efficiëntie van 95-99% in de range 30-500nm. Deze technologie is ongevoelig voor het zwavelgehalte in de brandstof.

A.4.5.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Het extra verbruik is een nadelig punt. De energie nodig voor het verwarmingselement veroorzaakt een extra belasting op het elektrisch systeem van het voertuig.

A.4.5.4 Kostprijs en marktrijpheid Bekaert geeft een prijs op voor retrofit van Off-road voertuigen van 70EUR/kW. In de veronderstelling dat deze kostprijs in dezelfde grootteorde ligt voor zware wegvoertuigen bedraagt de kostprijs voor een 150 kW motor iets meer dan 10 000 EUR. Volgens Bekaert bedraagt het extra brandstofverbruik niet meer dan 1% (als gedurende 10% van de tijd geregenereerd wordt). Dit systeem is echter nog niet commercieel beschikbaar.

43

Titan TM is een filtersysteem van de Canadese firma DCL met elektrische regeneratie buiten het voertuig voor off-road toepassingen, goedgekeurd door VERT.42 De filter wordt verdeeld door Emitech in Nederland.

44

A.5 SCR (SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION) SCR (Selective Catalytic Reduction) wordt reeds jaren aangewend voor de vermindering van NOx in industriële processen en bij stationaire dieselmotoren. SCR is nog niet commercieel beschikbaar voor gebruik in bussen, vrachtwagens of personenwagens omdat het een vrij ingewikkeld systeem is en omdat er een aantal bijkomende negatieve punten zijn. Hoewel deze nabehandelingstechniek niet onder “roetnabehandelingstechnieken” valt wordt deze hier toch kort aangehaald omdat de PM reductie niet onafhankelijk van de NOx reductie gezien kan worden. Recent bestaat er in de auto-industrieeen belangrijke interesse om ook met deze technologie de nieuwe normen te halen. Bovendien zijn momenteel verschillende onderzoeksprogramma’s lopende om SCR te ontwikkelen voor mobiele dieselmotoren zowel voor HD als LD.

A.5.1 Werkingsprincipe De SCR technologie maakt gebruik van ammoniak voor de reductie van NOx. Aangezien NH3 toxisch is en het transport de nodige veiligheidsrisico’s inhoudt is het niet aangewezen dit als dusdanig aan te wenden. Alternatieven zijn ureum (CO(NH2)2) en amoniumcarbamaat (NH2COONH4). Uit deze precursoren kan ammoniak in het voertuig gevormd worden door hydrolyse. Momenteel worden vooral waterige oplossingen van ureum gezien als reductans voor NOx in mobiele toepassingen. Ureum wordt reeds op grote schaal geproduceerd en wordt gebruikt in de voeding- en meststoffenindustrie. Voor het gebruik in SCR worden veelal 32 w% ureum oplossingen gebruikt. Deze eutectische concentratie heeft het laagste kristallisatiepunt (-11°C) en de concentratie verandert niet wanneer de oplossing (gedeeltelijk) bevriest. De hydrolysereactie en de voornaamste NOx-conversiereacties zijn hieronder weergegeven. Ook andere reacties ter vorming van N2 kunnen optreden in het SCR-systeem. Maar ook ongewenste reacties kunnen optreden: NH3 kan reageren met de aanwezige zuurstof ter vorming van N2O of NO. Hydrolyse van ureum : (NH2)2CO + H2O

CO2 + 2 NH3

NOx conversie: 4 NO + 4 NH3 + O2 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 7 N2 + 12 H2O De hydrolyse van ureum treedt op vanaf 160°C. Toevoegen van ureum bij lagere temperaturen kan leiden tot deactivatie van de katalysator. Bepaalde systemen bevatten een katalysator om de hydrolyse van ureum te versnellen. Deze is geplaatst tussen het inspuitpunt van ureum en de SCR-katalysator.43 Onderstaande figuur geeft een schematische voorstelling van het SCR-systeem met de nodige toebehoren. Niet alle componenten zijn noodzakelijk of aanwezig in de verschillende SCR-systemen.

45

Motor

UREUM

OXIDATIEKATALYSATOR

NO

NO2

UREUMKATALYSATOR

Ureum

NH3

SCR KATALYSATOR

Nox reductie

AMONIUM KATALYSATOR

NH3 oxidatie

Figuur A.16: Schematische voorstelling van de verschillende (mogelijke) onderdelen van de SCR-technologie.

SCR-systemen voor mobiele toepassingen werken in een open-loop configuratie waarbij een voorgeprogrammeerde motormap voor NOx-emissies gebruikt wordt om de ureuminjectie te controleren als functie van toerental en belasting. De ingespoten ureum wordt na menging met de uitlaatgassen gehydrolyseerd ter vorming van ammoniak. Deze hydrolyse kan versneld worden door het plaatsen van een hydrolysekatalysator voor de SCR-katalysator. Na de SCR-katalysator wordt meestal nog een oxidatiekatalysator geplaatst om de overmaat ammoniak te verwijderen en bijkomend ook de CO en KWS in de uitlaat te verminderen. De controle-eenheid meet in vele gevallen eveneens de uitlaatgastemperatuur en sluit de toevoer van ureum af wanneer de temperatuur onder een bepaalde waarde daalt (tussen 150 en 300, afhankelijk van type en configuratie van de katalysator). Dit om te verhinderen dat niet-gehydrolyseerd ureum de katalysator zou deactiveren. De NOx-conversie-efficiëntie is afhankelijk van de gebruikte katalysator (zie figuur).9

Figuur A.17: NOx-conversie voor verschillende katalysatoren in functie van de temperatuur.

46

Als SCR-katalysator blijkt Pt weinig geschikt aangezien de activiteit reeds afneemt vanaf 250°C. Bij hogere temperaturen neemt de selectiviteit af voor bovenstaande NOxreductiereactie en wordt de competitieve reactie van NH3 met zuurstof belangrijker. Dit resulteert in een netto afname van de performantie. Meer geschikt is V2O5/Al2O3 waaraan TiO2 werd toegevoegd om de sulfaatvorming tegen te gaan. Ook andere oxiden (WO2) kunnen toegevoegd worden om sulfaatvorming te verhinderen. Daarnaast worden ook zeolieten gebruikt als SCR-katalyst. Commercieel beschikbare zeolieten zijn actief tot 600°C. Bij hogere temperaturen neemt de werking af ten gevolge van beschadiging van de zeolietstructuur.

A.5.2 Performantie Door Siemens werd een dergelijk systeem ontwikkeld met de naam ‘SiNOx’. Het katalytisch element is een keramisch materiaal met een hoog Titanium en Tugsten-oxide gehalte. Volgens Siemens bedraagt de conversie-efficiëntie 70% voor NOx-emissie en 5070% voor KWS-emissies. Een prototype van het SiNOx-systeem voor HD-toepassingen werd getest over Amerikaanse en Europese cycli.44 In onderstaande tabel worden de emissiereductieresultaten voor PM en NOx weergegeven. Koolwaterstoffen werden in al deze cycli tot nul herleid. CO-emissies vertoonden een verhoging van 0-37.5%, gevormd als nevenproduct tijdens de hydrolyse van ureum. Tabel A.5: Emissieresultaten volgens verschillende cycli uitgevoerd op een 12L HD dieselmotor (6 cilinder met gekoelde Turbo) uitgerust met een SCR-katalysator ( 200 CPSI, 45L, TiO2V2O5WO3 samenstelling)

US transient cold US Transient hot OICA

% NOx reductie 55.6 70.5 85.6

% PM reductie 22.2 25.0 0

In een Europees demonstratieproject werden NOx, KWS en PM verminderd met respectievelijk 60-80%, >80% en 30%. Hier werden 18 trucks uitgerust met SCR en de duurzaamheid werd bewezen over een totaal van 4 miljoen km. Er werd voldaan aan Euro 4- en Euro 5-normen door toepassen van deze technologie op Euro 2-motoren. Engelhard heeft samen met TNO en DAF een SCR-systeem ontwikkeld en getest op een DAF XF95. Zij bekwamen een NOx-vermindering van 70 tot 80% met dit systeem.45 Recent werden resultaten gepresenteerd van een geoptimaliseerd systeem (met geoptimaliseerde ureuminjectie) getest op een DAF en Renault motor. Voor beide motoren werd een NOx-reductie gemeten van 81-84% over de ESC en 72% over de ETC. KWS- en PM-reducties van respectievelijk >80% en 4-23% werden gemeten. Een verhoging van de CO-emissies tot 27% werd vastgesteld.46

47

Het plaatsen van een oxidatiekatalysator voor de SCR-katalysator en voor het inspuitpunt van ureum levert volgens Gieshoff43 betere resultaten op. Omdat hierdoor de verhouding NO2/NOx verhoogd wordt en daardoor de NOx-conversieactiviteit toeneemt bij lagere temperaturen. Zij bekwamen een NOx-reductie van 75 % over de ESC (tegenover 45% zonder pre-oxidatiekatalysator) voor een 9.2L SCR-katalysator. Met deze oxidatiekatalysator werd bovendien een NOx-efficiëntie bekomen van 65% over een SCRkatalysator met een gereduceerd volume (4.6L) Gekas et al.47 rapporteerden een NOx-conversie over de ESC en ETC-cyclus van respectievelijk 84 en 83%. In deze studie werden CO- en KWS-reducties gemeten van meer dan 90%. De ureum/brandstof-verhouding bedroeg 7-8%. Ammoniakslib was steeds minder dan 10 ppm. Een voordeel van SCR-technologie is dat het brandstofverbruik geoptimaliseerd kan worden omdat de NOx in een nabehandelingssysteem verminderd wordt. Een brandstofbesparing tot 5% kan verwacht worden.

A.5.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Het is belangrijk dat de juiste hoeveelheid ureum of ammoniak wordt ingespoten. Het verhogen van de NH3/NOx-verhouding resulteert in een hogere NOx-conversie. Een te grote overmaat NH3 leidt echter tot NH3 uitstoot (zogenaamde ammoniumslib). Onderstaande figuur toont de NOx-omzetting (%) en NH3-uitstoot in functie van de NH3/NOx-verhouding bij verschillende temperaturen.

Figuur A.18: NOx-conversie en NH3-uitstoot in functie van =NH3/NOx.48

48

Het toevoegen van een overmaat ureum kan bovendien leiden tot deactivatie van de SCRkatalysator. Indien zeer lage emissies gehaald moeten worden (zoals de EPA limieten voor 2007) is een ‘closed-loop control’ noodzakelijk.49 • Ureumverbruiken van 2,5 en 1,7 L per 100 km werden gerapporteerd afhankelijk van de gereden testcyclus en de afmetingen van de katalysator. Dit betekent dat het voertuig voorzien moet worden van een voldoende grote voorraadtank. Het probleem van hervulling is hier niet te verwaarlozen. In de eerste plaats zal tankinfrastructuur voorzien moeten worden. Daarnaast moet ook controle kunnen uitgevoerd worden omdat het gebruik van de SCR-katalysator zonder ureum niet tot de gewenste emissiereducties leidt en bovendien kan leiden tot schade aan de katalysator. Een mogelijke oplossing is het vullen van de ureumtank samen met de dieseltank door een speciaal daarvoor ontwikkeld vulpistool.50

A.5.4 Kostprijs/marktrijpheid De prijs voor het uitrusten van een zwaar voertuig met een SCR-technologie bedraagt ongeveer 10000 Euro. 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. Een bijkomende kostprijs voor het verbruik van ureum dient ook in beschouwing genomen te worden. Indien we een verbruik van 2 L/100 km veronderstellen en een kostprijs voor ureum van 0.5 EUR per liter, dan bedraagt de extra kost 1 EUR/100 km. Deze kostprijs van ureum kan met een factor 2 dalen indien de vraag groter wordt en de distributiekosten van het additief kleiner.51 Zoals hierboven reeds vermeld, werden reeds verschillende demonstratieprojecten uitgevoerd.

A.6 SCRT A.6.1 Werkingsprincipe Door Johnson Matthey werd een gecombineerd systeem ontwikkeld bestaande uit SCR en CRT, namelijk de SCRT.52 Deze is in staat om de emissienormen voor 2008 te halen voor alle gereglementeerde emissies (CO, KWS, NOx, PM). Dit gecombineerd PM/NOx emissiereductiesysteem stelt voertuigfabrikanten in staat hun voertuigen te kalibreren voor optimaal brandstofverbruik en toch de vooropgestelde emissiedoelstellingen te behalen.

A.6.2 Performantie In onderstaande tabel worden testresultaten weergegeven. De testen werden uitgevoerd op een 12L 310kW gekoelde turbo motor.

49

Figuur A.19: Emissieresultaten van de uitlaat en 2 SCRT’s over de ESC in g/kWh.52

Uitlaat SCRT (SCR: 8.5L) SCRT3 (SCR: 17L)

KWS 0.162 0.005 0.003

CO 0.989 0.008 0.000

NOx 7.018 1.592 1.061

PM 0.163 0.008 0.007

Uit bovenstaande emissieresultaten kunnen we afleiden dat de emissiereductie-efficiëntie van een SCRT-systeem aanzienlijk is. De PM-reductie bedraagt 95%. Voor de gereglementeerde gasvormige emissies bedraagt de emissiereductie >97 %, >99 %, en 8085% voor respectievelijk KWS, CO en NOx.

A.6.3 Kostprijs en marktrijpheid Deze technologie is nog niet commercieel beschikbaar. Een inschatting maken van de kostprijs is in dit vroege ontwikkelingsstadium dan ook moeilijk. Toch kunnen we aannemen dat de kostprijs aanzienlijk zal zijn omdathet een gecombineerd systeem is en de prijzen van CRT en SCR afzonderlijk reeds redelijk hoog liggen.

50

A.7 ‘LEAN-NOX’-KATALYSATOR EN NOX-ADSORBER Deze twee nabehandelingstechnieken voor de vermindering van NOx worden hier kort besproken. Beide moeten nog verder geoptimaliseerd worden om hun efficiëntie te verhogen onder alle omstandigheden en bepaalde moeilijkheden op te lossen. Hoewel het hier niet gaat om roetnabehandelingssystemen worden ze toch kort vermeld.

A.7.1 ‘Lean NOx’-katalysator A.7.1.1 Werkingsprincipe9 De vermindering van NOx met een ‘Lean NOx’-katalysator gebeurt door de reactie van NOx met KWS. De ‘Lean NOx’-katalysator of DeNOx-katalysator zorgt ervoor dat koolwaterstoffen in de uitlaat selectief NOx reduceren. Deze selectieve reactie staat in competitie met de niet-selectieve reactie van NOx met O2. [KWS] + NOx N2 + CO2 + H2O [KWS] + O2 CO2 + H2O De mate van selectiviteit hangt af van de samenstelling van de katalysator, de KWS/NOxverhouding en de KWS die gebruikt worden. Om een voldoende hoge KWS/NOxverhouding te bereiken is toevoegen van KWS aan de uitlaatgassen voor de katalysator aangewezen. Meestal wordt hiervoor dieselbrandstof gebruikt omdat deze reeds in het voertuig aanwezig is. In dit geval spreekt men van ‘actieve’ reductie. Verschillende edel- en niet-edelmetaalkatalysatoren werden reeds getest op hun bruikbaarheid als DeNOx-katalysator. De meest geschikte kandidaten zijn de Cu/ZSM54 (Cu gesubstitueerde zeoliet) en Pt op alumina (Al2O3). Deze 2 katalysatoren hebben echter elk een maximale NOx conversie in een welbepaald T-gebied nl. 200-300°C voor Pt/Al2O3 en 350-500°C voor Cu/ZSM54. Dit betekent dat deze katalysatoren niet enkel een ‘light off’-temperatuur hebben maar eveneens een ‘light down’-temperatuur. Bij te lage temperaturen is de oxidatie van KWS te laag en bij te hoge temperaturen gebeurt de oxidatie van deze koolwaterstoffen door zuurstof in plaats van NOx. Geen enkel katalytisch materiaal werd tot op heden geschikt bevonden voor het ganse temperatuurbereik.

A.7.1.2 Performantie Door Heimrich53,9 werden negen beschikbare katalysatoren getest met een Caterpillar (3116) motor. Steady state testen gaven een NOx-reductie van 17 tot 44% terwijl bij transiënte testen (US FTP) de NOx reductie niet meer dan 5% bedroeg. Bij de katalysator met de hoogste efficiëntie (24%) werd bovendien een verhoging van de deeltjesuitstoot met 26% vastgesteld. In het kader van de DECSE-studie werden zowel een LT- (lage temperatuur) als een HT(hoge temperatuur) katalysator onderzocht. De LT-katalysator bevat Pt als katalytisch

51

materiaal en de LT-katalysator bevat een basismetaal als katalytisch element. De HTkatalysator werd getest op een motor voor HD terwijl de LT-katalysator werd getest op een lichte vrachtwagen. De NOx-reducties waren echter gemiddeld minder dan 20% (voor extra verbruik < 4%). Er werd geen effect van S-gehalte op de NOx- reductie vastgesteld. Er werd geen toename van PM gemeten bij de hogere S-gehaltes (< 350 ppm), enkel bij de LT-katalysator nam de PM-uitstoot toe bij hoge temperatuur. Bij de HT-katalysator was de PM-toename niet significant maar werd wel een duidelijke verhoging van de sulfaatvorming gemeten bij hoge temperaturen. Bij de HT-katalysator werd een verhoging van de KWS-uitstoot vastgesteld indien extra KWS (voor actieve regeneratie) werden toegevoegd. Ook de CO-emissies namen toe voor punten met hogere temperatuur in het geval van de HT-katalysator. In een andere studie54 werd een conversie-efficiëntie van maximaal 40% gemeten bij de LTkatalysator waarbij conventionele diesel als reductans gebruikt werd. In het geval van de HT-katalysator werd een NOx-reductie van slechts 25% gemeten bij gebruik van conventionele diesel als reductans. Indien hexadecaan gebruikt wordt als reductans kan de efficiëntie verhoogd worden tot bijna 70% voor de LT-katalysator.

A.7.1.3 Moeilijkheden/aandachtspunten Deze technologie kampt duidelijk nog met een aantal problemen. • In de eerste plaats is de reductie-efficiëntie niet zo hoog, te wijten aan het feit dat geen enkele katalysator geschikt is voor een voldoende groot temperatuurbereik. Een combinatie van verschillende katalysatoren kan het temperatuurbereik vergroten.54 • De gevoeligheid voor S dient ook nog verder onderzocht te worden. Hoewel het Sgehalte geen effect heeft op de efficiëntie voor NOx-reductie, werd in bepaalde gevallen een verhoging van de deeltjesuitstoot vastgesteld. Volgens de Concawe-studie13 treedt voor HD-toepassingen sulfaatvorming op bij het gebruik van de LT katalysator. De HT katalysator is eveneens gevoelig voor het S-gehalte in de brandstof omwille van zijn hoge selectiviteit voor SO2. • In het geval van een HT katalysator kunnen de KWS-emissies toenemen indien brandstof werd toegevoegd om de KWS-concentratie in de katalysator te verhogen. • De vorming van niet-gereglementeerde emissies zoals N2O werd waargenomen en zou een probleem kunnen vormen.13 Conversies van NOx tot N2O (in plaats van N2) van 50% werden gemeten bij de LT-katalysator.54 •

Zeoliet-gebaseerde katalysatoren vertonen nog duurzaamheidproblemen.54

• Een doseersysteem voor het toevoegen van het reductans moet voorzien worden. Indien gekozen wordt voor een ander reductans dan diesel moet bijkomend een apart distributiesysteem voorzien worden.

52

A.7.1.4 Kostprijs en marktrijpheid Dergelijke katalysatoren zijn beschikbaar en worden gebruikt in combinatie met oxidatiekatalysatoren of KWS-traps in personenwagens. In hun huidige vorm is hun effect op NOx-emissies echter beperkt. Lean-NOx katalysatoren als ‘stand alone’ zijn niet commercieel beschikbaar. Voor HD kan de Lean NOx katalysator gebruikt worden in combinatie met een deeltjesfilter. De geschatte meerprijs bedraagt tussen 500 en 3500 EUR voor motoren van < 200kW.55

A.7.2 NOx-adsorber A.7.2.1 Werkingsprincipe NOx-adsorbers zijn in staat gedurende brandstofarme condities de NOx in de uitlaat te stockeren en deze gedurende bepaalde periodes onder brandstofrijke omstandigheden vrij te laten en tegelijkertijd te reduceren. De reductie van NOx gebeurt zoals in het geval van de lean NOx katalysator onder brandstofrijke omstandigheden. De washcoat van de NOx-adsorber bevat 3 actieve componenten: 1) een oxidatiekatalysator (meestal Pt) 2) een adsorptiemateriaal (vb. BaO9 of carbonaten5 van (aard)alkalimetalen) 3) een reductiekatalysator (vb. Rh). In feite is een NOx-adsorber dus een driewegkatalysator (gekend van de benzinevoertuigen) die een adsorptiemateriaal bevat. In een eerste stap wordt NO geoxideerd door O2 tot NO2 met behulp van de Pt-katalysator. In de normale dieseluitlaat bestaat NOx immers hoofdzakelijk uit NO. Het gevormde NO2 zal dan in een tweede stap nitraat vormen met BaO dat in de washcoat wordt opgeslagen. NO + ½ O2 NO2 BaO + 2 NO2 + ½ O2

Ba(NO3)2

Wanneer de motor opereert onder brandstofrijke omstandigheden of als de uitlaatgastemperatuur toeneemt, zal het gevormde nitraat onstabiel worden en uiteenvallen zodat NO en NO2 opnieuw vrijkomen. NO en NO2 zullen dan door CO, KWS en H2 gereduceerd worden. Ba(NO3)2

BaO + 2 NO + 3/2 O2 BaO + 2 NO2 + ½ O2

NO + CO ½ N2 + CO2 NO + [KWS] N2 + CO2 + H2O

53

Om te komen tot brandstofrijke omstandigheden is verrijking van het dieseluitlaatgas noodzakelijk. Dit kan gebeuren door brandstof aan de uitlaatgassen toe te voegen voor de katalysator of door verrijking van het brandstofmengsel in de cilinder (EGR, aangepaste brandstofinjectie,…). Voor dit laatste is elektronisch gecontroleerde brandstofinjectie nodig (zoals Common Rail).

A.7.2.2 Performantie De NOx-omzetting kan tot meer dan 80% bedragen en het temperatuurbereik is breed (200 – 450 à 500 °C) en in goede overeenstemming met de uitlaatgastemperaturen van dieselmotoren.9,56 Na motorcalibratie werden in het DECSE-programma NOx-conversies gemeten van meer dan 90% (met S-gehalte van 3 ppm) in het temperatuurgebied van 300 tot 450 °C zodat het extra verbruik niet meer dan 4% bedroeg. Volgens de DECSE-studie werden de CO en KWS emissies verminderd met respectievelijk 80–90% en 60–80%. Er werd geen S-effect waargenomen maar bij veroudering namen de performantie af maar bleef steeds 60% of meer. Gedurende regeneratie werden hogere CO en KWS-emissies gemeten. De deeltjesuitstoot werd eveneens gereduceerd met 30–60%.

A.7.2.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • De ‘NOx storage’ katalysator is zeer gevoelig voor S in de brandstof. Zelfs indien de katalysator wordt blootgesteld aan S-concentraties van 50 ppm gedurende een korte tijd zal onherstelbaar verlies van activiteit van de katalysator optreden. Volgens het DECSE-project zal zelfs bij een S-gehalte van 16 ppm de efficiëntie van de katalysator verminderen.5 Het SO2 – dat in de motor uit de S in de brandstof wordt gevormd – zal door de oxidatiekatalysator Pt worden geoxideerd tot SO3. Dit SO3 reageert met het adsorptiemateriaal (BaO) tot sulfaat (BaSO4). Deze sulfaten zullen bij hoge temperaturen uiteenvallen maar het probleem is dat de sulfaten stabielere verbindingen zijn dan de nitraten en vereisen dus hogere temperaturen. Het gebruik van sulfaatonderdrukkende washcoats kan hier een oplossing brengen. Een andere optie is het gebruik van een Sadsorptiekatalysator die momenteel ook in ontwikkeling zijn.

A.7.2.4 Kostprijs en marktrijpheid Deze technologie wordt reeds toegepast op ‘lean burn’ benzinewagens maar voor zware dieselvoertuigen is nog geen commercieel product beschikbaar.13 Op dit moment zullen eerst verbeteringen moeten aangebracht worden aan de katalysator om dan een geïntegreerd systeem te kunnen testen in demonstratieprojecten.

54

A.8 NTP OF NIET-THERMISCH PLASMA NTP of 'non-thermal plasma' is een relatief nieuwe techniek voor de behandeling van uitlaatgassen. In principe kan het zowel alleenstaand gebruikt worden als in combinatie met een katalysator of filter. In eerste instantie werd NTP ontwikkeld om de NOx-uitstoot te verminderen maar recent wordt deze technologie ook ontwikkeld om de PM uitstoot te verminderen. Beide worden hieronder besproken.

A.8.1 Wat is NTP?9 Een plasma is een gas dat positieve en negatieve ladingen bevat maar ongeveer elektrisch neutraal blijft over een grotere afstand. Een plasma bestaat uit vrije elektronen, ionen radicalen, atomen en moleculen in verschillende aangeslagen toestanden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen thermisch (of 'hot') plasma en niet-thermisch (of 'cold') plasma. In het thermisch plasma is de kinetische energie van het achtergrondgas gelijk. In het geval van niet-thermisch plasma bezitten de elektronen een hogere kinetische energie dan de randombeweging van de achtergrondgasmoleculen. De bedoeling van het gebruik van nietthermisch plasma is de selectieve transfer van de inputenergie naar de elektronen die vrije radicalen genereren door botsingen en de gewenste chemische reacties promoten in het uitlaatgas.9 Door de reactiviteit van het plasma zullen bepaalde reacties gemakkelijker optreden. De onderliggende chemie is echter nog steeds niet volledig ontrafeld. De chemische processen worden allen geïnitieerd door de vorming van zuurstofatomen. In een plasma kan dit gebeuren door dissociatie van zuurstofmoleculen door elektronimpact. Ook andere atomen en radicalen worden gevormd uit moleculen zoals N en OH.57 O2 + e-

O + O + e-

De gevormde zuurstofatomen kunnen dan NO oxideren tot NO2. Ook reacties van koolwaterstoffen met de atomen en radicalen in het plasma resulteren in de vorming van andere reactieve species zoals hydroxyl-radicalen, waterstofperoxide en andere.

A.8.2 NTP voor PM reductie A.8.2.1 Werkingsprincipe Gasfase-oxidatie van PM in een NTP-reactor is onvoldoende of vereist te veel energie. Daarom is het efficiënter als de deeltjes opgevangen worden in een filter zodat een langere verblijftijd verzekerd is. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen twee verschillende configuraties: de eentraps- (single stage) reactor en de tweetraps- (two-stage) reactor. In de "single stage reactor" bevindt zich in de NTP-reactor vulmateriaal om het roet op te vangen. In een "tweetraps reactor" is een klassieke dieselfilter geplaatst stroomafwaarts van de NTP-reactor. Het plasma doet in dit geval dienst als NO2-(of ozon) generator.

55

"Single stage packed bed plasma reactor" Een prototype van deze eentraps reactor voor een personenwagen werd ontwikkeld door AEA.57,58 Het systeem, "Electrocat Diesel Particle Trap" genaamd, bestaat uit 2 concentrisch cilindrische elektrodes waartussen zich keramische bolletjes bevinden. De binnenste elektrode is geperforeerd en het uitlaatgas wordt door de gevulde ruimte geleid.

Figuur A.20: Schematische voorstelling van de NTP reactor ontwikkeld door AEA Technologies.57,59

"tweetrapsreactor" Dit nabehandelingssysteem werd ontwikkeld door Delphi Automotive Systems.60 Voor PMreductie bestaat het uit een NTP-reactor en een deeltjesfilter. In het plasma wordt NO omgezet in NO2 door de aanwezige zuurstofatomen. NO + O

NO2

De gevormde NO2 treedt dan op als oxidans om het in de deeltjestrap opgevangen roet te oxideren zodat de regeneratie van de deeltjestrap verzekerd is. De NO NO2 omzettingsefficiëntie bedraagt 70%. De oxidatie van deeltjes gebeurt dus op dezelfde wijze als in de CRT. Daarnaast kunnen deeltjes ook rechtstreeks door O geoxideerd worden. NO2 wordt hier gegenereerd door het NTP wat – in tegenstelling tot de CRT – kan gebeuren bij temperaturen onder de 250°C.

A.8.2.2 Performantie Een prototype van de eentrapsreactor van AEA werd getest op een Londense taxi met een Nissan 2.7L IDI diesel motor. De NTP-reactor vervangt de oorspronkelijke knalpot. Emissiemetingen volgens de ECE en EUDC tests gaven een emissiereductie van 50% voor

56

deeltjes aan. Het aantal deeltjes (in de range <300nm) werd verminderd met 90%. Ook werd een vermindering vastgesteld van PAK's. Het extra energieverbruik voor de oxidatie van deeltjes bedroeg maximaal 0.34 kW/g deeltjes. Aangezien geen gebruik gemaakt wordt van een oxidatiekatalysator is deze technologie niet gevoelig voor het zwavelgehalte in de brandstof. Bij een tweetrapsreactor werd een PMreductie van meer dan 30% bij stationair toerental gemeten. Volgens de fabrikant zou deze technologie toepasbaar zijn op alle voertuigen.

A.8.2.3 Kostprijs en marktrijpheid Het is duidelijk dat deze technologie nog in een ontwikkelingsfase zit. Daarom is het ook moeilijk om al een inschatting te geven van de kostprijs.

A.8.3 NTP voor NOx-reductie A.8.3.1 Werkingsprincipe NTP is niet geschikt voor de rechtstreekse reductie van NOx aangezien dit te veel energie kost en ook concurrerende oxiderende reacties een rol spelen. NO kan in NTP omgezet worden in NO2 wat de performantie voor NOx-reductie van bestaande technologieën kan verbeteren door de grotere NO2/NO-verhouding. Ook voor NOx-reductie kan onderscheid gemaakt worden tussen 1-traps en 2-traps systemen. Aangezien in de recentste literatuur vooral het laatste wordt beschreven beperken we ons hier tot de bespreking van dit tweetrapssysteem.9 Door Delphi Automotive werd in samenwerking met PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) een systeem ontwikkeld bestaande uit een niet-thermisch plasma en een katalysator. Dit systeem is in staat om zowel NOx als PM te verminderen. Momenteel is het nog geen commercieel verkrijgbaar product. Verwacht wordt tegen 2004 de productie kan starten. In de NTP-reactor worden zuurstofradicalen (en andere) gevormd zodat NO omgezet kan worden in NO2 bij lage temperaturen (100°C). Dit NO2 kan dan door middel van een katalysator selectief omgezet worden in N2, waarbij koolwaterstoffen optreden als reductans. Metaaloxiden en zeoliet gebaseerde katalysatoren blijken hiervoor zeer geschikt.61

A.8.3.2 Performantie Uit testbankmetingen bleek een NOx-reductie van >70% haalbaar.60 De meeste studies rapporteren echter iets lagere waarden. Metingen op een 2.0 L DI Opel dieselmotor uitgerust met een volledig NTP-systeem resulteerden in een NOx-efficiëntie van 52% en een verbruik van 64 J/L. Indien we veronderstellen dat een extra verbruik van 10J/L overeenkomt met een extra brandstofverbruik van 2%,9 betekent dit een extra verbruik van meer dan 10%. Het bestudeerde NTP-systeem bestaat uit een parallelle plaat reactor en een zeolietgebaseerde katalysator. Een verbeterd systeem − eveneens van Delphi − werd

57

uitgetest op een 1.9 L Common rail dieselmotor en leverde een emissiereductie op voor NOx van 55% terwijl ook de deeltjesuitstoot werd gereduceerd met 30%.61 Een 100% NONO2 conversie werd bereikt bij een energie van 30 J/L wat overeen zou komen met een extra brandstofverbruik van 6 %. Toevoegen van extra KWS − getest op een labo schaal model − levert een bijkomende verbetering van de efficiëntie op maar leidt ook tot een verbruikstoename. Een modellering van de FTP-cyclus uitgevoerd door Hoard62 gaf een NOx-reductie aan van 55% bij een extra verbruik van 3-4%. PSA Peugeot Citroën heeft een Peugeot 206 prototypevoertuig uitgerust met een NTP systeem samen ontwikkeld met Delphi. Het NTP-nabehandelingssysteem bestaat uit een NTP-reactor, een DeNOx-katalysator en een deeltjesfilter. Deze technologie zou dus zowel de NOx-uitstoot als de deeltjesuitstoot verminderen. NO2 geregenereerd in de plasmareactor wordt gebruikt bij de regeneratie van de deeltjesfilter. NOx-reducties van 70% werden gemeten op de testbank.63

A.8.3.3 Moeilijkheden/aandachtspunten • Het verhoogde brandstofverbruik is op dit ogenblik nog een nadelig punt. Bij verdere ontwikkeling wordt gestreefd naar een extra verbruik van maximaal 2-3 %. Dit vereist een verdere optimalisatie van het NTP-ontwerp. Verder onderzoek van de elektrische karakteristieken van het NTP-systeem moet leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere plasmagenererende componenten.61

A.8.3.4 Kostprijs en marktrijpheid Er wordt nog steeds gewerkt aan de verdere optimalisatie van deze nabehandelingstechniek. Volgens de fabrikant kan deze NTP gebruikt worden voor diesel en lean-burn benzine en dit zowel voor PW, LD als HD. NTP kan ook aangewend worden om de emissies bij koude start van benzinevoertuigen te verminderen. Zoals hierboven reeds werd aangehaald heeft Peugeot reeds een prototype voertuig getest.

58

A.9 COMBINATIE VAN NABEHANDELINGSSYSTEMEN Om te komen tot een emissiereductie van verschillende componenten kan ook gebruik gemaakt worden van een combinatie van bovenstaande technologieën. Hierboven werden reeds een aantal gecombineerde systemen besproken. Ook een niet-thermisch plasma systeem is in feite een gecombineerd systeem maar dit werd reeds hierboven besproken. Ter illustratie worden hieronder nog een aantal gecombineerde systemen weergegeven. Hierbij dient opgemerkt te worden dat deze lijst zeker niet volledig is.

A.9.1 SCR + CRT Hierboven werd reeds de combinatie van een SCR met een CRT beschreven. De beschreven technologie is een geïntegreerd systeem en werd ontwikkeld door JM. Combinaties van andere fabrikanten zijn eveneens mogelijk maar beide systemen moeten dan wel voldoende op elkaar zijn afgesteld. Zoals reeds vermeld kan door deze combinatie een emissiereductie bereikt worden van 95% voor PM en >97 %, >99 %, 80-85 % voor respectievelijk KWS, CO en NOx.52 Emissienormen voor Euro 5 kunnen worden gehaald. Verdere evaluatie en veldtesten van een dergelijk systeem zijn echter nog noodzakelijk.

A.9.2 SCR + roetfilter met additief Khair et al.64 onderzochten de performantie van een combinatie van SCR met een ‘fuel borne katalyst’. Zij vonden PM emissies van 0.01 g/bhp-hr en NOx+NMHC van 1.2 g/bhph volgens de FTP test. Combinatie van EGR, SCR en deeltjesfilter met een ‘fuel borne catalyst’ resulteerde in emissies van 0.5 g/bhp-h NOx en 0.01g/bhp-h PM.

A.9.3 EGR + CRT Een andere mogelijke gecombineerde emissiereductiestrategie om zowel deeltjes als NOx te verminderen is EGR met een CRT. EGR werd in voorgaande niet besproken aangezien het geen nabehandelingstechniek is maar tot de motortechnologie wordt gerekend. Eenvoudig gezegd wordt bij EGR (Exhaust Gas Recirculation) een deel van het uitlaatgas bij de inlaatlucht gevoegd en komt zo opnieuw in de verbrandingskamer terecht. Op deze manier worden de zuurstofconcentratie en de temperatuur verlaagd. Bijgevolg zal ook de NOxuitstoot dalen. Allereerst dient hierbij opgemerkt te worden dat het gebruik van EGR de werkingscondities voor CRT verslechtert. EGR vermindert immers de NOx-uitstoot en verhoogt de PM-emissies. De verhouding NOx/PM moet echter aan een minimale waarde voldoen om de regeneratie te kunnen verzekeren (zie deel CRT). Een dergelijk systeem werd ontwikkeld door Erland Nilson genaamd ‘DNOx’.65 In dit systeem wordt gefilterd uitlaatgas (genomen na de CRT) opnieuw naar de motor geleid. Op

59

deze manier zou de NOx –uitstoot met 50% verminderen. Testen werden uitgevoerd op een Euro 2 motor volgens de Europese stationaire cyclus (ECE R49). De uitstoot van KWS en CO daalde met respectievelijk >99% en 82%. De deeltjesuitstoot werd gereduceerd met 80 %. Deze resultaten zijn inderdaad veelbelovend. De kostprijs van een dergelijks systeem is echter nog steeds hoog (ongeveer 17000 EUR). Een combinatie van EGR met CRT werd bij TNO getest op een DAF Euro 3-motor.66 Het ging hierbij om de EGR-strategie bij TNO ontwikkeld en de CRT van JM. Zoals hierboven reeds werd opgemerkt verslechtert het gebruik van EGR de regeneratiecondities van de CRT. Daarom werd een actieve regeneratiestrategie aangewend waarbij de uitlaatgastemperatuur verhoogd werd zodat de NO2-vorming in de katalysator van de CRT voldoende was om regeneratie van de CRT in reële omstandigheden te verzekeren. Zonder gebruik te maken van deze actieve regeneratie was het mogelijk de Euro 4 limieten te halen (ESC en ETC test). Het brandstofverbruik was verhoogd met 2-3% in vergelijking met de Euro 3 motor.

A.9.4 Katalytische deeltjestrap en brandstofadditief Deze combinatie bestaat uit twee deeltjesreductiestrategieën. Een katalytische deeltjesfilter wordt gebruikt in combinatie met een brandstofadditief (als katalystator). Beide technieken werden onder de rubriek deeltjesfilters reeds besproken. Volgens de onderzoekers is door deze combinatie een continue regeneratie van de deeltjesfilter mogelijk bij temperaturen vanaf 320 °C. Deze combinatie is echter nog in een ontwikkelingsstadium en er werden dan ook geen deeltjesuitstoot of reductie-efficiënties gemeten.67 CleanAIR Systems heeft een gecombineerd systeem genaamd ‘PERMIT FBC filter’. Dit is een keramische filter met Pt-coating (zo geformuleerd dat de NO2-uitstoot niet toeneemt) en een Pt/Ce-brandstofadditief.38

A.9.5 Deeltjesfilter met NOx adsorber Een innovatief emissiereductiesysteem ontwikkeld door Toyota Motor Corp. is de DPNR (Diesel Particulate – NOx Reduction System) dat in staat is zowel deeltjes als NOx in de uitlaat te verminderen met meer dan 80%.68 Dit systeem is niet geschikt voor retrofit maar kan wel gebruikt worden in combinatie met de common rail diesel injectie systeem (waarbij de brandstof inspuiting elektronisch geregeld wordt). Het DPNR bestaat uit een keramische deeltjesfilter gecoat met een katalystisch materiaal, de NOx storage-reduction catalyst. (origineel ontworpen voor de reductie voor gebruik bij leanburn benzinemotoren). Deeltjes worden onder brandstofarme omstandigheden geoxideerd door actieve zuurstof, welke vrijkomt bij het NOx-stockeringsproces bij overmaat zuurstof in de uitlaat. Wanneer de motor gedurende bepaalde periodes brandstofrijk draait, wordt PM ook geoxideerd door actieve zuurstof welke vrijkomt bij het reduceren van de gestockeerde NOx. NOx opgeslagen onder arme condities moet elke paar minuten geregenereed worden onder rijke condities. Bovendien is een regelmatige ontzwaveling nodig die bereikt wordt bij rijke condities en hoge temperaturen. Toyota plant om vanaf november 2003 de Avensis 2.0L op de markt te brengen met D-CAT technologie (Diesel Clean Advanced Technology). Deze technologie omvat de DPNR-filter,

60

tesamen met enkele motor-aanpassingen die de regeneratie ondersteunen. De D-CAT-versie zal initieel enkel beschikbaar zijn in U.K. en Duitsland (omwille van beschikbaarheid van Sarme brandstof, hoewel ook brandstof met 350 ppm S gebruikt kan worden). De wagen uitgerust met deze technologie zou de “schoonste personenwagen” zijn, zowel voor PM als NOx. Het verbruik bedraagt 6.1 in plaats van 5.8 L/100km.69 Cleaire Advanced Emission Controls heeft een syteem ‘Longview’ genaamd, wat een combinatie is van een leanNOx adsorber en deeltjesfilter. Dit werd recent door de CARB goedgekeurd als PM/NOx-reductiesysteem.4

61

A.10 BRANDSTOFMODIFICATOREN Onder brandstofmodificatoren verstaan we alles wat de samenstelling of eigenschappen van de brandstof verandert en op deze manier een effect heeft op de verbranding en dus mogelijk op het verbruik en/of de emissies. Het gaat hier dus niet om een 'nabehandelingssysteem' maar volledigheidshalve worden deze mogelijkheden toch kort behandeld in deze literatuurstudie. Het probleem om deze systemen te evalueren is dat de informatie vaak van de fabrikant komt en ook testen door hemzelf zijn uitgevoerd. Meestal is het moeilijk om duidelijke informatie te verkrijgen op basis van wetenschappelijke rapporten. Onderstaande is hoofdzakelijk gebaseerd op informatie aangereikt door de verschillende producenten.

Powerplus ontwikkelde een systeem bestaande uit een buis waarin zich tinnen schijfjes bevinden gevolgd door een magneet. Dit toestel wordt in de brandstoftoevoerleiding geplaatst en zou gebruikt kunnen worden voor alle vloeibare brandstoffen.

Figuur A.21: Brandstofmodificator “Powerplus”

Volgens de fabrikant is er een dubbel werkingsprincipe. De tinnen plaatjes zorgen ervoor dat tinoxide in de motor terecht komt en daar als katalysator gaat optreden. Hierdoor zou de verbrandingsefficiëntie verbeterd worden. Bovendien zouden de tinoxides een smerende eigenschap hebben. De magneet zal de brandstof polariseren waardoor de viscositeit verandert en de verbranding zou verbeteren volgens de fabrikant. Testresultaten (uitgevoerd door Powerplus zelf) leveren een brandstofvermindering op die varieert van 5 tot 15% en een vermindering van roetdichtheid van 18 tot 80%. Over verandering van deeltjesmassauitstoot werd niet gerapporteerd. Prof. Andrews voerde metingen uit op een Euro 2 Perkins Phaser dieselmotor met directe inspuiting. De metingen werden uitgevoerd onder steady state condities bij 30, 60 en 100 kW voor en na installatie van Powerplus. Dit resulteerde in volgende resultaten: geen vermindering van CO en KWS, 4.1 - 5.7 % NOx-reductie, vermindering van Bosch smoke number met 50 en 70% en een vermindering van het specifiek brandstofverbruik van 0 tot 1.7%. Deze resultaten zijn wat het verbruik betreft minder spectaculair dan de door Powerplus gerapporteerde resultaten. Bij De Lijn werd Power Plus getest op een motortestbank. Het ging hierbij om slechts 3

62

metingen uitgevoerd op een DAF-motor bij een constant toerental van 1380 min-1. Een verbruiksvermindering van 8.7% werd vastgesteld. Volgens De Lijn zijn de uitgevoerde testen echter te beperkt om een gefundeerde uitspraak te kunnen doen.

Een ander brandstofmodificator is FUEL-KING. Dit toestel wordt eveneens geplaatst tussen de brandstofpomp en de brandstoffilter. Het bestaat uit een cilinder die zeer sterke magneten bevat in combinatie met stromingsbrekers. De brandstof loopt via een spoel langs de magneetkern waardoor de oppervlaktespanning van de vloeistof verlaagt. De brandstof zou op deze manier fijner verdeeld worden bij de inspuiting waardoor de menging en dus ook de verbranding zou verbeteren. Voorwaarde is wel dat het toestel vlakbij de inspuiting wordt gemonteerd. Dit toestel werd in opdracht van de fabrikant getest bij RDW (Rijksdienst voor Wegverkeer). Metingen uitgevoerd met een Hartrich meter waarvan het werkingsprincipe gebaseerd is op lichtverstrooiïng toonden aan dat een vermindering van het rookgehalte van 33 tot 55% bij vollast en 62 tot 73% bij deellast. De deeltjesmassa werd niet gemeten en er werden bovendien geen dynamische testen uitgevoerd waarbij de rook werd gemeten. De verbruiksmetingen gaven een besparing aan van Fuel King met 4.8% bij 90 km/h, 6.2% bij 70 km/h en 5.5% bij stadsverkeer. Dit toestel werd eveneens getest door de BDG (Bedrijfsgezondheidsdienst voor Delft en omstreken). De gebruikte meetapparatuur was voor het uitvoeren van metingen van de omgevingslucht welke aan de uitlaat werd gemeten. Uit deze metingen bleek dat de concentraties van de roetdeeltjes gedaald was na het uitrusten met Fuel King, nl. met 36 tot 63%. De concentratie van CO zou met 50% verminderen. Beide gebruikte meettoestellen waren opnieuw niet de officiële, opgelegd door de EU-reglementering. Fuel King geeft zelf een aantal referenties met bijhorende testresultaten. Navraag bij een van deze referenties heeft uitgewezen dat dit toestel geen verbetering gaf in verbruik en roetuitstoot. De "testresultaten" van Fuel King geven echter wél roetvermindering aan bij deze klant wat ons ook de andere referenties in twijfel doet trekken. Een dergelijk systeem is verkrijgbaar in verschillende groottes.

Een gelijkaardig systeem is Eurocat van BTC (Brandstof techniek Vlissingen). De meetresultaten die ons opgestuurd werden door de fabrikant waren echter weinig overtuigend. Het verslag was onduidelijk en de resultaten zeer uiteenlopend.

Een andere brandstof modificator is "Vitaliser" van de Amerikaanse firma Metal Reaction, Inc. De Vitaliser is eigenlijk een koperen of roestvrijstalen buis met een vaste kern die uit 5 verschillende metalen bestaat. Volgens de fabrikant zouden deze metalen een elektrostatische lading creëren voor de brandstofmoleculen. Dit toestel wordt ook in de brandstoftoevoerleiding geplaatst, zo dicht mogelijk bij de brandstofpomp, carburator of injectiesysteem. Indien het te ver van het injectiesysteem geplaatst wordt, heeft het apparaat geen effect volgens de fabrikant. Bij personenwagens werden betere resultaten vastgesteld dan bij zwaardere voertuigen.

63

Het toestel werd uitgetest door de Waalse vervoersmaatschappij de TEC. Dit leverde volgens de fabrikant een vermindering van het specifiek brandstofverbruik op van 1, 2 en 9%. Meer informatie betreffende deze metingen werd aangevraagd bij de TEC maar zij konden deze resultaten niet bevestigen. Uit hun meetverslag bleek dat geen verbruiksvermindering konden worden aangetoond te wijten aan het gebruik van Vitalizer. Het toestel zou volgens de fabrikant ook in staat zijn gasvormige emissies te verminderen. Testresultaten van een viertal personenwagens geven een vermindering aan van gemiddeld 17% KWS, 35% CO, 5% NOx en 3% CO2 over de FTP-cyclus. Bepaalde van de individuele testresultaten gaven echter ook een verslechtering aan van de emissies van KWS en NOx. Dit apparaat is beschikbaar in verschillende uitvoeringen voor de verschillende groottes van voertuigen en hun vermogen. De kostprijs van een dergelijk toestel bedraagt tussen 300 en 1500 euro.

Cyclone is eveneens een product dat tot doel heeft het brandstofverbruik en emissies te verminderen. Het toestel wordt geplaatst aan de uitgang van de luchtfilter. Door het wervelend effect van de aangezogen lucht wordt de brandstof beter met de lucht gemengd. Op deze manier wordt het verbrandingsproces in de motor versneld en verbeterd en de uitstoot van schadelijke stoffen beperkt. De betere verbranding resulteert in een vermogenwinst en een mogelijke brandstofbesparing. De door de firma aangeleverde testresultaten zijn zeer uiteenlopend. Een vermindering van het brandstofverbruik van 1 tot 20% wordt weergegeven in de testrapporten. Toch zijn de individuele verschillen tussen de testresultaten vaak groter dan het gemeten verschil voor en na het plaatsen van cyclone.

Supertech© is een metalen toestel met een holle, cilindrische vorm dat in de brandstoftank van het voertuig wordt ondergedompeld. Het bestaat uit magneten, een diode, keramische componenten en Pt. Het toestel wekt elektromagnetische golven op die samen met het Pt in staat zouden zijn de moleculaire structuur van de brandstof te wijzigen. Op deze manier zou er dan een betere interactie zijn tussen de brandstof en de zuurstof. Volgens de fabrikant zou een brandstofbesparing van 12% en een emissiereductie van 75% gehaald kunnen worden.70 Op dit moment hebben we nog geen verder informatie ter beschikking.

Een ander product dat we hier ook kort bespreken is ASTA. Dit is een brandstofadditief dat volgens de fabrikant een zekere reinigende werking op de motor zou uitoefenen. ASTA bestaat uit 2 producten: een additief dat bij de brandstof wordt gevoegd en een additief voor de motorolie. De eerste component zou de verbrandingskamer reinigen (bij een temperatuur van 400°C) terwijl de tweede component een coating legt op de bewegende delen zodat koolstofafzetting hierop vermeden zouden worden. Vier personenwagens werden door Touring onderzocht. Een vermindering van het brandstofverbruik van 10 tot 12% werd vastgesteld na toevoegen van ASTA en nadat hiermee 1000 km was gereden. Na 20000 km bedroeg de verbruiksvermindering 15 tot

64

21%. Bij drie dieselvoertuigen werd een vermindering van de opaciteit vastgesteld van 6m-1 naar 2m-1. Bij navraag van het meetrapport kon dit echter niet worden voorgelegd. Ook Veritas (de Franse automobielkeuring) voerde testen uit op enkele wagens. Zij stelden een daling van de opaciteit vast van 54%. Het ging hier steeds om voertuigen waarvan de opaciteit voor het gebruik van ASTA ver boven de standaard lag. Metingen uitgevoerd op twee bussen van de TEC leverden geen overtuigende resultaten op. Bij een eerste bus werd een opaciteitsvermindering van 25 % vastgesteld. Bij vier andere bussen werd een initiële opaciteitsvermindering vastgesteld na het gebruik van ASTA maar bij een volgende meting werd een verhoogde opaciteit gemeten ten opzichte van de resultaten voor het gebruik van ASTA. Waarschijnlijk zijn er nog meer dergelijke "brandstofmodificatoren" op de markt. Bij TNO in Nederland werden reeds verschillende van dergelijke systemen getest en veelal met een teleurstellend resultaat. Aangezien de testen vaak in opdracht van de fabrikant werden uitgevoerd en de resultaten van dergelijke rapporten vertrouwelijk zijn kunnen we ons hier niet baseren op deze testresultaten. Rijkeboer van TNO deed echter een aantal uitspraken over de efficiëntie van brandstofmodificatoren in interviews met enkele magazines. Hierin werden brandstofmodificatoren en brandstoffenspaarders steeds afgedaan als ‘niet efficiënt’. Volgens hem kunnen technieken op basis van een magneet niet werken. Brandstof is immers niet magnetiseerbaar. Daarom kunnen de brandstofmoleculen niet gericht worden. Het ‘gericht zijn’ zou bovendien verloren gaan tussen magneet en verbrandingskamer. Volgens Rijkeboer is ook het ioniseren van de brandstof zeer onwaarschijnlijk. Rijkeboer merkt bovendien op dat de door de fabrikant voorgestelde testresultaten vaak bedenkelijk zijn.71,72,73

65

A.11 BESCHIKBAARHEID VAN S-ARME BRANDSTOF Zoals blijkt uit voorgaande besprekenig over de voorhanden zijnde nabehandelingssystemen voor dieselvoertuigen hangt het succes van sommige van deze systemen af van het beschikbaar zijn van S-arme (<50ppm) of zelfs S-vrije (<10ppm) dieselbrandstof. Hoewel de Europese regelgeving S-arme diesel verplicht vanaf 2005, is deze reeds beschikbaar in verschillende Europese landen. In het Verenigd Koninkrijk is – dankzij de accijnsverminderingen – S-arme diesel de enige voorhanden zijnde dieselbrandstof. In Zweden, Finland en Denemarken is de S-arme diesel eveneens wijdverspreid. In Duitsland, Frankrijk en Nederland is de S-arme brandstof minder verspreid maar wel beschikbaar. In Duitsland zijn accijnsverminderingen gepland voor S-arme diesel nl. 1.5 eurocent/L voor Sgehalte van <50ppm vanaf 1/11/2001 (t.e.m. 31/12/2002) en 1.5 eurocent/L voor S-gehalte van <10 ppm vanaf 1/1/2003. Duitsland is bovendien voorstander om de Europese regelgeving te verstrengen en zo snel mogelijk over te gaan tot de introductie van 10 ppm diesel. In België wordt vanaf 9 november 2001 een accijnsvermindering van 1.2 eurocent toegepast op S-arme diesel (< 50 ppm). Recent werd door de Europese commissie een voorstel gedaan om het S-gehalte verder te verminderen tot < 10 ppm (zwavelvrij). Voorlopig wordt vooropgesteld dat tegen 2011 één vierde van de diesel zwavelvrij moet zijn.74 Het is niet helemaal duidelijk welk S-gehalte aanvaardbaar is voor bepaalde nabehandelingssystemen. Sommigen beweren dat S-arme brandstof voldoende is terwijl andere bronnen een brandstof met max. 10 of 15 ppm aanraden. Alles hangt natuurlijk af van de toepassing, het gebruik (of de testcyclus), de nabehandelingstechniek en de juiste samenstelling van het gebruikte materiaal.

66

A.12 DEELTJESGROOTTEVERDELING Bepaalde bronnen beweren dat sommige nabehandelingssystemen de grote deeltjes verminderen maar het aantal kleinere deeltjes verhogen. Dit heeft vooral belang in het kader van gezondheidseffecten. Kleinere deeltjes zouden tot dieper in de longen kunnen dringen en op die manier extra schadelijk zijn. Cruciaal in deze discussie is het feit dat geen standaard meetmethode bestaat voor de meting van deeltjesgrootte. Dit is belangrijk omdat uit studies gebleken is dat bepaalde experimentele condities zoals de verdunningsverhouding, de deeltjesgrootteverdeling en meer bepaald het aantal nanodeeltjes kunnen beïnvloeden. Resultaten van verschillende labo’s kunnen dus sterk uiteenlopen. Daarbij komt nog dat een deel van de ultrafijne deeltjes die door condensatie gevormd worden bij het meten, in reële omstandigheden niet gevormd worden omdat de verdunningsverhouding in reële omstandigheden veel groter is. De vorming van condensaten kan toenemen indien het aantal vaste kernen afneemt (zoals bij het gebruik van een roetfilter). Het evenwicht tussen adsorptie aan de vaste kernen en kernvorming is immers verstoord omdat veel minder vaste kernen aanwezig zijn. Bepaalde koolwaterstoffen zullen bij afkoeling condenseren wat leidt tot kernvorming en aldus worden ultrafijne deeltjes gevormd. Ook de vorming van sulfaatdeeltjes – indien geen zwavelvrije brandstof wordt gebruikt – kan toename van nanodeeltjes bij het gebruik van een nabehandelingssysteem met oxidatiekatalysator verklaren. Een belangrijke vraag die hierbij gesteld moet worden is welke eigenschappen van de deeltjes de negatieve gezondheidseffecten bepalen. Zijn het enkel de vaste C-deeltjes? Dan moet bij de meting geen rekening gehouden worden met de nanodeeltjes gevormd uit condensaten. Of zijn ook KWS-condensaten en sulfaten belangrijke boosdoeners? De gezondheidseffecten van deeltjes worden in Deel D van deze studie besproken.

67

A.13 SAMENVATTING EN CONCLUSIE Samenvattend zetten we hier de belangrijkste bevindingen van deze studie nog eens op een rij. Uit bovenstaande wordt vooreerst duidelijk dat er een groot potentieel is aan nabehandelingstechnieken voor zware dieselvoertuigen. Bepaalde technologieën zijn veelbelovend maar echter nog niet marktrijp of vragen de nodige stimulatie voor introductie. Demonstratieprojecten kunnen hier een positieve bijdrage leveren om de nodige ervaring op te doen wat betreft onderhoud en werkingscondities van het systeem en eventueel ook wat betreft uitbouw van noodzakelijke infrastructuur. De efficiëntie van de verschillende systemen voor de gereglementeerde emissies zijn uiteenlopend. Voor bepaalde technologieën zijn een aantal randvoorwaarden vereist, zoals het beschikbaar zijn van zwavelarme diesel. Niet al deze technieken zijn even geschikt voor alle toepassingen. Belangrijke factoren zijn onder andere de leeftijd (en technologie) van het voertuig, de gebruiksomstandigheden (gereden cyclus), beschikbaar budget en de beoogde emissiereductiedoelstelling. Belangrijk bij retrofit is dat dit voor een nieuwe toepassing in nauw overleg met de fabrikant gebeurt om zo de optimale condities en een beste efficiëntie te creëren. Ook hier kan een demonstratieproject de nodige ervaring bijbrengen. Indien beleidsmaatregelen genomen worden om het gebruik van nabehandelingssystemen te promoten, is het noodzakelijk een kwaliteitslabel te definiëren en in te voeren. Dit kwaliteitslabel moet er dan voor zorgen dat de beoogde emissiereductiedoelstelling gehaald wordt. In Tabel A.7 worden de belangrijkste nabehandelingstechnieken – die in bovenstaande reeds uitvoerig besproken werden – weergegeven. Telkens wordt een score gegeven voor de verschillende parameters (reductie-efficiëntie gereglementeerde en niet gereglementeerde emissies, kostprijs,… enz.). Het gaat hierbij om een relatieve score die voor de verschillende parameters in onderstaande tabel wordt verklaard. Belangrijk is wel dat bepaalde technologieën onder verschillende vormen (verschillende fabrikanten, samenstelling,…) op de markt zijn met andere specificaties en randvoorwaarden. Deze tabel geeft slechts een globaal overzicht van mogelijkheden en randvoorwaarden van de verschillende nabehandelingstechnieken voor dieselvoertuigen. Aangezien bussen een belangrijke bijdrage leveren tot de deeltjesuitstoot besluiten we hier welke mogelijke nabehandelingstechnieken geschikt zijn om de deeltjesuitstoot voor deze toepassing te verminderen. Indien we de deeltjesuitstoot van bussen aan de hand van retrofit willen reduceren blijkt uit dit overzicht dat een deeltjesfilter het meest aangewezen is. Zoals weergegeven in Tabel A.7 zijn filters met verschillende regeneratietechnologieën voorhanden. De meest geschikte opties voor het gebruik in bussen op dit moment zijn de CRT, de katalytische deeltjesfilter en de filter met additief in de brandstof. Het voordeel van deze laatste is dat deze technologie ongevoelig is voor het zwavelgehalte in de brandstof terwijl de andere twee een S-gehalte van maximaal 50 ppm vereisen. Diesel met dit zwavelgehalte is reeds beschikbaar. Nadeel van de filter met additief is echter dat een additief en een doseereenheid nodig zijn. Dit verhoogt de complexiteit van het systeem. Bovendien worden de gasvormige emissies (CO en KWS) in het geval van de filter met additief in veel

68

mindere mate gereduceerd. Dit is echter geen cruciaal punt voor dieselmotoren. Een reiniging van de filter zal ook frequenter nodig zijn omdat het additief zorgt voor een verhoogde asdepositie in de filter. Een bijkomend cruciaal punt is de keuze van het filtermateriaal dat ervoor moet zorgen dat geen metaaldeeltjes worden uitgestoten. Zowel de CRT (van JM) als de katalytische deeltjesfilter (van Engelhard) zijn goedgekeurd door de ARB in het kader van het ‘Voluntary Diesel Retrofit Program’. De performantie van de CRT werd door Vito getest en geschikt bevonden voor Euro 2-bussen. Het zou zeer nuttig zijn om ook de performantie van de twee andere systemen te meten zodat een vergelijking kan gemaakt worden voor eenzelfde voertuig onder dezelfde omstandigheden. De regeneratietemperatuur voor de katalytische filter en de filter met additief liggen 50 tot 100 °C hoger dan deze van de CRT. Onder normale omstandigheden zou deze temperatuur echter bereikt moeten worden gedurende 15-20% van de gereden cyclus. Nauw overleg met de fabrikant bij het gebruik van een nieuwe nabehandelingstechniek is echter steeds aangewezen. Op lagere termijn zou SCR – eventueel in combinatie met CRT – een mogelijkheid kunnen bieden om voertuigen te retrofitten en zo de NOx-uitstoot te verminderen.

Tabel A.6: Verklaring van de gebruikte scores in Tabel A.7 PM massa,CO, KWS, NOx (reductie) Deeltjesgrootteverdeling

Niet gereglementeerde emissies

Kostprijs in EUR

S-effect

Verbruik

Marktrijpheid

+++ >85%

++ 50-85%

+ 5-50% 0 geen effect

0 0%

<0%

+ vermindering # verhoging # (kleine deeltjes) (kleine deeltjes) X: + X: Emissiereductie van Emissieverhoging van polluent X polluent X +++ ++ + -<2500 250050007500>10000 5000 7500 10000 -0 Zeer gevoelig Gevoelig Niet gevoelig (efficiëntie daalt) (efficiëntie daalt) + 0 -Verlaagt Geen effect Verhoogt Verhoogt >5% C D O Commercieel Technologie Technologie in beschikbaar beschikbaar, ontwikkeling testen in demoprojecten

69

Tabel A.7: Overzicht van de performantie en kostprijs van de belangrijkste nabehandelingssystemen besproken in bovenstaande uiteenzetting Technologie Oxidatiekatalysator

PM (massa) +

Gasvormige geregl. emissies CO KWS NOx ++/+++ ++/+++ 0

Katalytische filter

+++

+++

++

0

CRT

+++

+++

+++

0

Filter + additief

+++

+

+

0

Filter met brander

+++

0

0

0

Filter elektrisch

+++

-

0

0

SCR

0/+

-/0**

++/+++

++/+++

‘Lean NOx’

0

-

-

+

‘NOx storage’

+

+++/++

++

+++/++

Niet geregl. emissies Aldehyden, ketonen, PAK’s: + PAK’s: +

PM* (grootte) (-)

Onderhoud/ infrastructuur geen

verbruik

S-effect

Prijs

0

-- (-)

+++

Marktrijpheid C

Reinigen filter

0/-

--

++

C

++

C

++

C

Aldehyden, PAK’s: + PAK’s: + (beperkt) Asdeeltjes: - f(filter)

+

Reinigen filter

0/-

--

+

Reinigen filter Additief

-

0

PAK’s: +

+

-

0

- (+)

C

+

-

0

-

Additief distributie

+

0

O/D (C****) D

Geen

-

-

geen

-

--

NH3: - **

N2O: (-)

SCRT +++ +++ +++ +++/++ NH3: - ** NTP + ++ * (): omwille van sulfaatvorming, Op basis van 1 meetrapport ** afhankelijk van de aanwezigheid van oxidatiekatalysator na de SCR-katalysator *** commercieel beschikbaar voor personenwagens **** voor off-road toepassingen met elektrische regeneratie op vaste locatie

additief: 0.0003€ /100km

Reinigen filter +

-/-ureum: 1€ /100km

---

--

O (C***) O (C***) O(D) O

70

AFKORTINGEN AECC ARB CRT DECSE DI ECE R-49 EEV EGR EPA ESC ETC (US)-FTP HD LPG JM KWS MECA NMKWS NTP OICA PAK’s PM ppm SCR SCRT SOF VOF

Association for Emissions Control by Catalyst Air Resources Board Continuous Regenerating Trap Diesel Emission Control – Sulfur Effects Direct Ingespoten Europese Stationaire Cyclus voor Euro 0, 1 en 2 Enhanced environmentally friendly vehicle Exhaust Gas Recirculation U.S. Environmental Protection Agency European Stationary Cycle European Transient Cycle United States-Federal Test Procedure (Amerikaanse testcyclus) Heavy Duty Liquified Petrol Gas Johnson Mattey koolwaterstoffen Manufacturers of Emission Controls Association niet- methaan koolwaterstoffen Non thermal plasma Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles Poly-aromatische koolwaterstoffen Particulate Matter parts per million Selective Catalytic Reduction SCR + CRT (Selective Catalytic Reduction + Continuous regenerating Trap) Soluble Organic Fraction (=VOF) Vluchtige Organische Fractie

71

REFERENTIES 1

Website Europese Wetgeving: http://www.europa.eu.int/eur-lex

2

J. Gieshoff, A. Schäfer-Sindlinger, P. C. Spurk and J. A. A. van den Tillaart, G. Garr, Improved SCR Systems for Heavy Duty Applications, SAE 2000-01-0189, 2000.

3

R. Allansson, C.A.Maloney, A. P. Walker, J. P. Warren, 'Sulphate Production over the CRT: What Fuel Sulphur Level is Required to Enable the EU4 and EU5 Standards to be Met?', SAE Paper 2001-01-1875, 2001.

4

Dieselnet Update, April 2003.

5

(a) Diesel Emission Control Sulfur Effects (DECSE) Programme, Part I Interim Data Report No 1 August 1999; (b) Diesel Emission Control Sulfur Effects (DECSE) Programme, Part I Interim Data Report No 4: Diesel Particulate Filters - Final Report, January 2000, (c) Diesel Emission Control Sulfur Effects (DECSE) Programme, Final Report: Diesel Oxidation Catalysts and Lean NOx Catalysts, June 2001, http://www.ott.doe.gov/decse

6

SAEFL, Mayer et al., ‘Particulate http://www.admin.ch/buwal/publicat/d

7

Website Deense Technologische Instituut: http://www.fstyr.dk

8

P. Eastwood, Critical Topics in Exhaust Gas Aftertreatment, Research Studies Press Ltd., 2000.

9

Dieselnet, http://www.dieselnet.com

10

M. Horiuchi, K. Saito, S. Ichihara, ‘The Effects of Flow-trough Type Oxidation Catalyst on the Particulate Reduction of 1990’s Diesel Engines’, SAE Paper 900600, 1990

11

Website Nett Technologies: http://www.Nett.ca

12

MECA, ‘Demonstration of Advanced Emission Control Technologies Enabling DieselPowered Heavy-Duty Engines to Achieve Low Emission Levels’, Final Report, June 1999.

13

CONCAWE, ‘Potential of Exhaust Aftertreatment and Engine Technologies to Meet Future Emission Limits’, report nr 99/62, September 1999.

14

Dirk Bosteels, info van presentatie AECC: ‘Experiences with Emission Control in NonRoad Applications’

15

A. Mayer, ‘VERT: Curtailing Emissions of Diesel Engines in Tunnel Sites’, Report W11/12/97, 1997

Traps

for

Heavy

Duty

Vehicles’,

72

16

MTZ Motortechnische Zeitschrift, Maart 2003, p 200.

17

Dieselnet Update, Februari 2003

18

Website Engelhard: http://www.engelhard.com

19

C. H. Liang, K. J. Baumgard, R. A. Gorse, J. E. Orban, J. M. E. Storey, J. C. Tan, J. E. Thoss, W. Clark, ‘Effects of Diesel Fuel Sulfur on Performance of a Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter and a Catalysed Particulate Filter’, SAE 2000-011876, 2000.

20

Meetrapport op website Multronic: http://www.multronic.be

21

Website ARB: http://www.arb.ca.gov/diesel/documents/verifieddevices.htm

22

P. Hawker, N. Myers, G. Hüthwohl, H. T. Vogel, B. Bates, L. Magnusson, P. Bronnenberg, ‘Experience with a New Particulate Trap Technology in Europe’, SAE 970182, 1997.

23

B. J. Cooper and J. E. Thoss, Role of NO in Diesel Particulate Emission Control, SAE 890404, 1989.

24

P. Zelenka, M. Egert, W. Cartellieri, Ways to Meet Future Emission Standards with Diesel Powered Sport Utility Vehicles (SUV) , SAE 2000-01-0181

25

R. Allanson, P. G. Blakeman, G. R. Chandler, B. J. Cooper, A. P. Walker, A. J. J. Wilkins, The Development of a System which Controls CO, HC, NOx, and PM Emissions in Heavy Duty Diesel Applications, Vehicle In Use Compliance Testing 2000, Berlin, October 2000.

26

R. Allanson, B. J. Cooper, J. E. Thoss, A. Uusimäki, A. P. Walker, J. P. Warren, ‘European Experience of High mileage Durability of Continuously Regenerating Filter Technology’, SAE 2000-01-0480.

27

Hendriksen, Beproeving van een CRT filter in een Nederlandse OV-bus, TNO-rapport 97.OR.VM.059.1/PHE, 1997.

28

P. Hawker,G. Hüthwohl, J. Henn, W. Koch, H. Lüders, B. Lüers, P. Stommel, ‘ Effect of a Continuous Regenerating Trap Diesel Particulate Filter on Non-Regulated Emissions and Particle Size Distributions’, SAE 980189, 1998.

29

A. Mayer, Filterlist:Verified particulate trap systems for diesel engines, Version 1/10/00.

30

S. L. Cook, ‘Justifying Additive Selection and Use for the DPF’, SAE TOPTEC ‘Reducing the Environmental Impact of Heavy Duty Vehicles’, Sweden, September 2000.

73

31

32

T. Seguelong, ‘Cerium-Based Fuel-Borne Catalyst for Diesel Particulate Filter Regeneration’, , SAE TOPTEC ‘Reducing the Environmental Impact of Heavy Duty Vehicles’, Sweden, September 2000. J. M. Valentine, J. D. Peter-Hoblyn, G. K. Acres, Emissions Reduction and Improved Fuel Economy Performance From a Bimetallic platinum/Cerium Diesel Fuel Additive at Ultra-Low Dose Rates, SAE 2000-01-1934.

33

Infobundel CARMEX® door 3M en AIRME(EX).

34

H. Burtscher, U. Matter, ‘Particulate Formation due to Fuel Additives’, SAE 2000-011883, 2000.

35

K.-H. Breuer, ‘Optimierung in Zusammenwirken Dieselmotor und Abgasfilter’, Symposium ‘Aktive Schadstoffminderung im “Off-road” Bereich’, Zürich, mei 2000

36

R. L. Bloom et al., ‘Fiber Wound Diesel Particulate Filter Durability Experience with Metal Based Additives’, SAE 970180, 1997

37

Presentatie PSA in Brussel, ‘La Technologie du Filtre a Particules’, 28/09/00.

38

Dieselnet Update Januari 2003

39

Dieselnet Update Februari 2003

40

Website HJS: http://www.hjs.co

41

http://www.unikat.se

42

Dieselnet Update Juli 2003

43

J. Gieshoff, A. Schäfer-Sindlinger, P. C. Spurk and J. A. A. van den Tillaart, G. Garr, Improved SCR Systems for Heavy Duty Applications, SAE 2000-01-0189.

44

Urea Selective Catalytic Reduction, Automotive Engineering International, November 2000.

45

TNO magazine, april 2001.

46

R. van Helden, M. van Genderen, M. van Aken, R. Verbeek, J. A. Patchett, J. Kruithof, T. Straten, C. Génentet de Saluneaux, ‘Engine Dynamometer and Vehicle Performance of Urea SCR-System for Heavy-Duty Truck Engines’, SAE 2002-01-0286, 2002.

47

I. Gekas, P. Gabrielsson, K. Johansen, L. Nyengaard, T. Lund, Urea-SCR Catalyst System Selection for Fuel and PM Optimized Engines and Demonstration of a Novel Urea Injection System’, SAE 2002-01-0289, 2002.

74

48

R. M. Heck, et al., Operating Characteristics and Commercial Operating Experience with High Temperature SCR-NOx Catalyst, Environmental Progress,1994, 13, 4, p 221-225.

49

Q. Song, G. Zhu, ‘Model-based Closed-loop Control of Urea SCR Exhaust Aftertreatment System for Diesel Engine’, SAE 2002-01-0287, 2002.

50

M. B. Levin, R. E. Baker, ‘Co-fueling of Urea for Diesel Cars and Trucks’, SAE 2002-01-0290, 2002.

51

Hydro Norsk, presentatie 22 juni 2001, Brussel.

52

G. R. Chandler, B. J. Cooper, J. P. Harris, J. E. Thoss, A. Uusimäki, A. P. Walker, J. P. Warren, ‘An Integrated SCR and Continuously Regenerating Trap System to Meet Future NOx and PM Legislation’, SAE 2000-01-0188, March 2000.

53

M. J. Heimrich, ‘Demonstration of Lean Nox Catalytic Converter Technology on a Heavy-Duty Diesel Engine’, SAE 970755, 1997

54

R. Mital, S. C. Huang, B. J. Stroia, R. C. Yu, C. Z. Wan, ‘A Study of Lean NOx Technology for Diesel Emission Control’, SAE 2002-01-0956, 2002.

55

Info AECC en MECA (E-mail Dirk Bosteels)

56

M. Brogan, A. D. Clark, R. J. Brisley, ‘Recent Progress in NOx Trap Technology’, SAE 980933, 1998.

57

S. E. Thomas, A. R. Martin, D. Raybone, J. T. Shawcross, K. Lock Ng, P. Beech, J. C. Whitehead, 'Non Thermal Plasma Aftertreatment of Particulates - Theoretical Limits and impact on Reactor Design', SAE 2000-01-1926, 2000.

58

Toward cleaner diesels, Automotive Engineering International, December 2000.

59

Automotive Engineering International Online, http://www.SAE.org/automag November 1999.

60

J. Kupe, D. Goulette, M. Hemingway, T. Silvis, G. Ripley, H. Breitbach, G. Fisher, C. DiMaggio, D. Herling, D. Lessor, S. Baskaran, …., ‘Non-Thermal Plasma Approach To Simultaneous Removal of NOx and Particulate Matter’, Vehicle In Use Compliance Testing Conference, Berlin, 15-17 October 2000

61

D. Herling, M. Smith, S. Baskaran, J. Kupe, ‘Application of Non-Thermal Plasma Assisted Catalyst Technology for Diesel Emission Reduction’, SAE 2000-01-3088.

62

J. Hoard, ‘Plasma Assisted Catalysts’ SAE Diesel Engine TOPTEC, September 26-27 2000.

63

Dieselnet Update December 2001.

75

64

M. Khair, J. Lemaire, S. Fisher, Integration of Exhaust Gas Recirculation, select Catalytic reduction, Diesel Particulate Filter and Fuel Borne Catalyst for NOx/PM Reduction, SAE 2000-01-1933.

65

Website Erland Nilson: http://www.encom.se

66

R. Verbeek, M. van Aken, M. Verkiel, ‘DAF Euro-4 Heavy Duty Diesel Engine with TNO EGR System and CRT Particulates Filter’, SAE 2001-01-1947.

67

S. J. Jelles, M. Makkee, J. A. Moulijn, G. J. K. Ackres, J. D. Peter-Hoblyn, ‘Diesel Particulate Control: Application of an Activated Particulate Trap in Combination with Fuel Additives at an Ultra Low Dose Rate’, SAE 1999-01-0113, 1999.

68

‘Diesel Exhaust Emission Control Systems’, Automotive Engineering International, Oktober 2000.

69

70

71

Dieselnet Update oktober 2003 Website: http://www.esp-supertech.com/indexnl.htm ‘Fabels over brandstofbespaarders ontzenuwen’, Auto & Motor Techniek 54, 1994.

72

‘Benzinebespaarders geen wonder’, Autoweek 3, 1994.

73

‘Zuinigheid en magneten’, Autovisie 25/93, 1993.

74

http://europa.eu.int/comm/environment/sulphur/index.html