SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX BUGEAN (Stănescu) Georgeta1 Conducători ştiinţifici: Prof.dr.ing. Constantin OCNĂRESCU, Ș.l.dr.ing. Florian PETRESCU REZUMAT: Stratul de ozon al planetei noastre se găseşte în partea superioară a atmosferei

(stratosfera), la limita spaţiului cosmic, şi acţionează ca un scut, absorbind UVB (radiaţiile ultraviolete de tipul B) din energia venită de la soare sau din spațiul cosmic. UVB sunt foarte periculoase pentru oameni şi vegetaţie, producând arsuri de piele, cancer şi distrugând clorofila plantelor. Din păcate, CFC rămâne în stratosferă mult timp (are durata de existenţă de 50-100 ani), încetinind foarte mult refacerea stratului de ozon. Compusii NOx din atmosfera terestră sunt cei mai nocivi, și deși emisiile de noxe ale autovehiculelor sunt tot mai restricționate prin norme din ce ȋn ce mai severe, acestea sunt din ce ȋn ce mai multe, și nici nu e de mirare, avȃnd ȋn vedere că «regele automobil» s-a ȋnmulțit de la cȃteva exemplare ȋn 1866 la circa un miliard de autovehicule astăzi, ȋn vreme ce anual apar (sunt fabricate) alte noi zeci și zeci de milioane de autovehicule.

CUVINTE CHEIE: noxe, emisii de NOx, autovehicule, limitări noxe, norme europene

1

INTRODUCERE

În Univers, în “Constelaţia Fecioarei”, în “Galaxia Calea Lactee”, se găseşte şi un soare (o stea) care se cheamă “Soarele Helios” sau simplu “Soarele”.

Helios este un adevărat sistem solar format din mai multe planete ce gravitează (se rotesc) în jurul lui.

“Proxima Centauri”, este cea mai apropiată stea de soarele nostru şi se află la o distanţă de aproximativ patru ani lumină (mai exact 4,22).

Ea face parte din sistemul solar “Alpha Centauri”, un sistem solar similar cu al nostru.

Deci deși avem miliarde de miliarde de sori, apropierea dintre ei (distanța medie dintre doi sori) este de circa 4-5 ani lumină (ca sa ajungi deci de la un soare la cel imediat vecin trebuie sa mergi cu o navă care ar putea circula cu viteza luminii timp de 4 sau chiar cinci ani).

Cele opt planete ale sistemului nostru solar sunt în ordine, plecând de la Soare către exterior: Mercur, Venus, EARTH (PĂMÂNTUL), Marte, Jupiter, Saturn, Uranus şi Neptun. Unii consideră că Pluto este a noua planetă a sistemului nostru solar, dar el e la fel de mic ca şi Ceres sau UB313, care sunt consideraţi asteroizi, sateliţi, etc, adică orice altceva dar nu planete (este ușor de presupus că a fost atras de Helios și a rămas să graviteze ȋn jurul lui asemenea unei planete, el fiind ȋnsă inițial un simplu asteroid).

Prima observație ce poate fi făcută cu ușurință este că haloul principal acoperă doar primele două

În universul în care ne găsim şi noi (despre ce-i în afara lui nu cunoaştem prea multe), există miliarde de galaxii.

O galaxie este o grupare mare de stele (sori) adică de sisteme solare; în medie o galaxie obijnuită conţine aproximativ două miliarde de sori (de stele), care pot avea sau nu planete în jurul lor.

Galaxia în care ne situăm noi poartă numele de “Calea Lactee” adică “Calea Laptelui”.

Mai multe galaxii alcătuiesc împreună o constelaţie.

Mai multe constelaţii alcătuiesc împreună un scheletron (schelet format din galaxii si constelaţii).

Constelaţia din care face parte şi galaxia noastră se cheamă “Constelaţia Fecioarei”.

Deci universul nostru cuprinde foarte multe constelaţii; o constelaţie cuprinde mai multe galaxii, iar o galaxie are circa 2 miliarde de sori. În prezent cunoaştem datorită telescoapelor moderne enorm de multe galaxii, dar numai 88 constelaţii au putut fi identificate de umanitate (deocamdată).

1

Specializarea: Modelarea și Simularea Sistemelor Mecanice Mobile, Facultatea IMST; E-mail: stanescu_georgeta@yahoo.com

1

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX planete Mercur și Venus dar se apropie mult și de următoarele două Pămȃnt și Marte.

Urmează mai multe runde de halouri ceva mai disipate care bat pȃnă pe Jupiter.

De la Saturn către Neptun radiațiile solare de lumină și căldură sunt mult diminuate. Dealtfel chiar de la Jupiter planetele ȋncep să se răcească considerabil.

Peste cȃteva miliarde de ani soarele va ȋncepe să ȋmbătrȃnească, și ȋn procesul său de ȋmbătrȃnire se va dilata foarte mult, halourile principale ajungȃnd să ȋncălzească mult Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun.

Pe Terra va fi atunci aproape imposibil să se mai locuiască din cauza căldurii extreme, și probabil la fel și pe mica planetă Marte.

Terra este a treia planetă de la Soare, poziţie favorabilă acum vieţii (nici prea cald nici prea frig, lumină suficientă, energie medie corespunzătoare vieții).

Planeta noastră pentru moment este unica planetă din cele cunoscute care prezintă condiţii reale de viaţă.

2

Problema subţierii acestui strat îşi găseşte o rezolvare parţială prin înlocuirea agentului termic din frigidere şi instalaţiile de aer condiţionat, precum şi a gazului sub presiune din tuburile cu aerosoli (sprayuri) cu gaze mai puţin dăunătoare. Substanţele din grupa clorofluorcarbonului (CFC), care se foloseau în acest scop până nu demult (mai cunoscute sub denumirea de freon), sunt responsabile ȋn mare parte pentru distrugerea stratului de ozon şi au un pronunţat efect de seră, iar folosirea acestora este restricţionată sau interzisă în multe ţări.

Din păcate, CFC rămâne în stratosferă mult timp (are durata de existenţă de 50-100 ani), încetinind foarte mult refacerea stratului de ozon.

Scutul de ozon se reface permanent prin fulgerele care străbat atmosfera terestră. Circa 300 fulgere pe secundă se produc în medie la nivelul stratosferei, ionizând puternic oxigenul din stratosferă şi refăcând astfel în permanenţă stratul de ozon ce înconjoară Terra.

O mare parte din ozon se distruge pentru apărarea planetei noastre. La un moment dat cantitatea produsă era mai mică decât cea consumată, astfel încât stratul de ozon s-a subţiat şi s-a găurit.

Ploile erau şi ele mai puţine (deci şi fulgerele mai puţine) din cauza tăierii masive a pădurilor terestre.

Odată cu reîmpădurirea planetei ploile au început să se înmulţească şi odată cu ele şi fulgerele produse şi deci şi cantitatea de ozon produsă. Scutul a început să se refacă în mod natural, iar gaura din el se micşorează treptat.

Din păcate ȋnsă, ȋn țările mai puțin dezvoltate, au reȋnceput tăierile masive de păduri, planeta fiind din nou pusă ȋn pericol.

Procesul de protecţie a pădurilor cât şi cel de reîmpăduriri trebuie să continue organizat prin programe guvernamentale. Fiecare copăcel plantat dar şi îngrijit salvează echilibrul “planetei noastre mamă.”

Pădurile generează permanent stratul de ozon direct și indirect prin generarea norilor și apoi a ploilor și a fulgerelor.

Pădurile ȋnsă dau și oxigenul atȃt de necesar vieții, și ȋnghit carbonul din aer și diverșii săi compuși, extrem de toxici vieții ȋn general, oamenilor și animalelor.

Acești compuși au apărut și apar ȋn special de la arderile din marile ȋntreprinderi, din centralele termice pe combustibili fosilici (cărbune, lemn, petrol, gaze), și mai ales din cauza autovehiculelor rutiere, ȋn speță a automobilelor cu motoare termice cu ardere internă (ȋn special), parcul auto planetar

STADIUL ACTUAL

Pământul este înconjurat de un câmp magnetic foarte puternic, care susţine viaţa pe Terra. Aceste linii de forţă fac din planeta noastră una specială (poate unica). Ele nu se pot vedea cu ochiul liber, deoarece nu sunt situate în spectrul vizibil. Ȋn plus Terra este ȋnconjurată de mai multe sfere de cȃmpuri de unde electromagnetice, pe diverse frecvențe, sau de diverse radiații, toate fiind menite să ne protejeze de radiațiile neprietenoase venite de la soare sau din spațiul cosmic. Scutul atmosferic, și cel de ozon joacă și ele un rol esențial ȋn protecția noastră ȋmpotriva radiațiilor gama, etc.

Deasupra continentelor şi oceanelor se află un înveliş gros numit atmosfera, a cărui existenţă este absolut necesară pentru desfăşurarea vieţii pe Terra.

Acest înveliş dinamic este într-o permanentă interacţiune cu relieful, cu suprafaţa solului, a oceanelor şi a gheţurilor, prin fluxuri permanente de energie şi substanţă, asigurând mediul favorabil apariţiei, dezvoltării şi menţinerii biosferei.

Stratul de ozon se găseşte în partea superioară a atmosferei (stratosfera), la limita spaţiului cosmic, şi acţionează ca un scut, absorbind UVB (radiaţiile ultraviolete de tipul B) din energia venită de la soare sau din spațiul cosmic.

UVB sunt foarte periculoase pentru oameni şi vegetaţie, producând arsuri de piele, cancer şi distrugând clorofila plantelor.

2

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 atingȃnd ȋn prezent un nivel uriaș de circa 1 miliard de automobile aflate ȋn circulație simultan.

Cu toate măsurile luate de limitare a emisiilor de noxe, acestea sunt din ce ȋn ce mai multe, și nici nu e de mirare, avȃnd ȋn vedere că «regele automobil» s-a ȋnmulțit de la cȃteva exemplare ȋn 1866 la circa un miliard de autovehicule astăzi, ȋn vreme ce anual apar (sunt fabricate) alte noi zeci și zeci de milioane de autovehicule.

Regele automobil care ne-a transportat deja 150 ani, ne și distruge sănătatea noastră și a planetei zi de zi.

Aproximativ 300 de fulgere pe secundă străbat atmosfera terestră în medie. Fulgerul este un exemplu de plasmă prezentă la suprafaţa terestră. El reprezintă o descărcare electrică la o tensiune ce depăşeşte 100 milioane volţi generând un curent electric de peste 30000 amperi, emiţând lumină, unde radio, radiaţii X, radiaţii gamma, un zgomot puternic (tunetul) şi producând o ionizare puternică a atmosferei terestre cu desfacerea oxigenului în ioni şi producerea de ozon în cantităţi mari.

Fulgerele crează, alimentează şi menţin scutul de ozon de la nivelul stratosferei.

Tot ele generează la înălţimi mai mari un scut de unde radio de jur împrejurul Terrei.

Se mai produc şi alte două scuturi terestre, unul de radiaţii X, iar altul de radiaţii gamma. Toate aceste patru scuturi au rolul de a apăra planeta noastră de radiaţiile distrugătoare venite din spaţiul cosmic (în general).

Dacă subţierea stratului de ozon este responsabilă pentru o parte a fenomenului de încălzire globală, lăsând mai multă energie solară să ajungă pe Pământ, creşterea cantităţilor de oxid de azot, metan, monoxid şi dioxid de carbon din atmosferă amplifică acest fenomen prin producerea accelerată a efectului de seră, ceea ce azi poartă numele de “încălzirea globală”, reprezentând problema numărul unu a planetei.

Datorită încălzirii globale se modifică clima planetei. La noi, şi peste tot în zonele temperate se schimbă aspectul anotimpurilor; iarna se lungeşte; vara este mai caldă; temperaturile au variaţii mai mari şi mai bruşte.

Se topeşte ghiaţa de la polii Nord şi Sud, lăsând muritori mulţi pinguini dar şi urşi albi (polari); nivelul apei creşte iar uscatul se micşorează. Clima se deteriorează; la fel și atmosfera terestră, apele și oceanele. Se amplifică și ȋnmulțesc furtunile.

Canicula vara este uneori insuportabilă (în loc de maxime de 25-280 C am avut chiar maxime de 440 C).

Animalele nevinovate şi neputincioase parcă ne strigă din ultimile lor puteri “Oameni buni ce faceţi cu Planeta Albastră?!...”

Urşii polari rămaşi izolaţi pe câte o banchiză de gheaţă (sortiţi să moară de foame înainte de a se topi toată gheaţa iar ei să se înece) “parcă îşi iau adio de la noi!” La fel şi pinguinii, dezorientati, plutesc în derivă pe câte o bucată de gheaţă până se epuizează de foame şi oboseală, sau până li se topeşte toată gheaţa. În urmă cu sute de mii de ani, atmosfera planetei noastre conţinea 30% oxigen. Astăzi, din cauza despăduririlor masive şi a poluării cu bioxid de carbon cantitatea de oxigen din atmosfera Pământului a scăzul la 21%. În oraşele mari poluarea este mult mai mare, astfel cantitatea de oxigen poate să scadă până la 18%. Corpul uman funcţionează optim la un procent de 30% oxigen, dar s-a adaptat la 21%; dacă acest procent scade la 18-21% organismul este afectat negativ. În zilele noastre, sângele omului transportă o cantitate mult mai mică de oxigen, ţesuturile ducând o permanentă lipsă de oxigen, și deci sistemul imunitar este mult slăbit, ca și cel circulator, respirator, și mai ales sistemul nervos central (oamenii au tendința de a rezista mult mai puțin la factorii de stres ; se ȋnmulțesc și bolile nervoase, pe lȃngă cele respiratorii).

Cantitatea scăzută de OXIGEN din atmosfera terestră, procentul mult diminuat (de-a lungul timpului oxigenul atmosferic s-a înjumătăţit; în ultimii 300 ani a continuat să scadă cu încă câteva procente) reprezintă de fapt principala problemă a planetei noastre, alături de încălzirea globală.

Ambele probleme majore sunt cauzate de defrişările masive şi de procesul de industrializare globală prin care s-a ajuns la procentul crescut de bioxid de carbon din atmosferă în detrimentul oxigenului.

“Tehnologiile din ce în ce mai numeroase, poluante şi extrem de poluante au făcut în ultimii 300 ani ca planeta noastră să nu mai fie la fel de albastră ca la început!”

Poluarea a început odată cu industrializarea planetei în urmă cu circa 300 ani. Poluarea cea mai mare şi permanentă se datorează industriei grele şi automobilului, dar un rol în distrugerea ozonului l-au jucat şi exploziile experimentelor atomice şi nucleare.

Deşi nu se anunţă oficial, este cunoscut faptul că distrugerea masivă a scutului de ozon cu găurirea lui, dar şi principalele dezechilibre ale planetei, se datorează testelor cu arme nucleare.

3

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX Ele au produs şi mutaţiile, malformaţiile şi anomaliile genetice, înmulţind bolile inclusiv pe cele incurabile.

Au otrăvit solul, apa, aerul şi organismele pe termen lung.

Automobilele moderne, electrice, cu hidrogen, sau mixte (hibrid) vor rezolva problema poluării cu monoxid şi dioxid de carbon. Hidrogenul prin ardere produce doar apă pe care o redă circuitului său natural.

Aproape pe tot globul se renunţă la combustibilii din cărbune (extrem de poluanţi). Încet, dar sigur, se trece de la petrol şi gaze, la energia electrică obţinută din hidrogen, nuclear, sau direct de la Soare, prin captarea şi conversia luminii în energie electrică cu ajutorul panourilor cu celule fotovoltaice.

Mult mai puternice și mai rentabile sunt ȋnsă fermele solare, construite pe o suprafață mai mare, care au un turn central și de jur-ȋmprejurul lui cȃt mai multe oglinzi parabolice focalizate toate către turnul central.

Oglinzile reflectă energia luminoasă concentrată primită de la soare focalizând-o toate pe o zonă a turnului unde se află un cazan cu apă sau alt lichid (agent) care este supraîncălzit şi care va acţiona o turbină cu aburi care va mişca un generator electric (sau un grup stirling-generator electric). Puterea instalată a acestor ferme solare este foarte mare.

Un randament foarte bun ȋl au și fermele eoliene, care pot fi montate aproape ȋn orice loc, cu condiția ca ȋn zona respectivă să bată vȃntul permanent.

Cu cȃt vȃntul este mai puternic și de viteză mai mare și energia electrică produsă va fi mai mare.

Turbinele de vânt moderne produc o putere situată între 600 kW şi 5 MW, cele mai utilizate devenind cele de 1.5–3 MW putere la ieşire, fiind mai simple constructiv şi mai potrivite pentru uzul comercial. Astăzi ȋnsă deja au fost inventate și construite urmȃnd a fi și implementate turbine eoliene de 10-30 ori mai puternice, care au un randament energetic mult superior, fiind extrem de eficiente la montarea lor ȋn locuri prielnice, deoarece numai 10 astfel de dispozitive pot genera energia dată de o centrală (un reactor) nucleară pe fisiune.

Numai 100 de astfel de stȃlpi pot genera energia dată de circa 10 reactoare nucleare (reprezentȃnd o putere instalată de circa 6 Gw), ceea ce reprezintă necesarul energetic al unei țări mari puternic dezvoltate și industrializate.

Biomasa nu poate fi eliminată imediat, aşa cum ar fi de dorit, din simplul motiv că reprezintă şi azi un procent energetic foarte mare, şi pentru moment

omenirea fiind în plină dezvoltare şi expansiune îşi creşte permanent consumurile energetice, fără ca noile surse energetice apărute să aducă procente semnificative, şi asta în condiţiile în care rezervele petroliere sunt pe cale de dispariţie.

Deşi nu s-a spus, şi nu se comunică oficial, din 1970 planeta noastră a intrat într-o semicriză energetică, cu sincope, cu creşteri şi descreşteri, rezolvată local, parţial, dar nu definitiv. Cea mai mare creştere energetică procentuală de atunci şi până acum s-a realizat prin energia nucleară de fisiune (19-20%), şi prin biomasă (circa14%).

Energetica nucleară şi biomasa au reuşit să preia astfel împreună circa 33-34% din consumul energetic mondial. Ambele sunt surse energetice sustenabile, independente (biomasa fiind şi regenerabilă în totalitate).

Din fericire astăzi și energiile eoliene și solare au fost dezvoltate și implementate planetar ȋn cantitate foarte mare, crescȃnd ȋn ultimii trei-patru ani de la 1% la circa 10-15%.

Energiile clasice reprezintă pentru moment dar şi pentru viitorul imediat o rezervă comodă, sigură, şi la îndemână. Biocombustibilii vor fi folosiţi din ce în ce mai mult, aşa cum am făcut-o din cele mai vechi timpuri, atâta vreme cât nu reuşim să descoperim o energie alternativă suficientă, ieftină, comodă, directă, regenerabilă, nepericuloasă, nepoluantă, etc.

Gazele, continuă să fie o rezervă naturală strategică a planetei. Indiferent dacă sunt asociate cu rezervele de petrol, sau se găsesc în zăcăminte separate, ele au jucat un rol esenţial în ultimii circa 150 ani şi vor fi la fel de importante şi pe viitor. Dacă la început erau tratate cu dispreţ, utilizându-se numai petrolul, ele fiind arse sau pur şi simplu împrăştiate în atmosferă, astăzi gazele sunt utilizate atât industrial cât şi pentru nevoile menajere. Ar fi bine să le ardem numai pentru gătit şi încălzirea s-o facem electric sau în alt mod pentru a le consuma în cantităţi mai mici şi a le proteja şi conserva pentru mai mult timp, ne gândim noi toţi de cele mai multe ori; da, dar dacă curentul electric provine nu de la noile tehnologii energetice (solare, eoliene, etc), sau de la hidrocentrale, sau centrale electrice nucleare, atunci curentul electric consumat pentru protejarea rezervelor de gaze naturale provine de cele mai multe ori de la gazele arse (sau petrolul ars) în termocentrale electrice. În acest caz nu va rezulta nici o economie de gaze ci dimpotrivă o creştere a consumului real de gaze naturale arse (datorită şi pierderilor de conversie).

Acelaşi lucru se întâmplă atunci când eliminăm un motor clasic pe benzină, motorină sau gaz, şi-l trecem pe hidrogen ori îl înlocuim cu unul electric.

4

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 Autovehiculul consumă curent electric din nişte acumulatori moderni, care se încarcă de la prize (mai modern direct prin unde electromagnetice, sau prin alt sistem fără prize şi conexiuni).

Curentul este produs în proporţie de 66% din arderea gazelor şi sau a petrolului în centralele termice, iar curentul electric solicitat va produce un consum suplimentar de gaze naturale, oricum mai mare decât cel de petrol sau gaze pe care l-ar fi produs motorul clasic de pe autovehiculul respectiv. În final în loc de o economie de gaze, am produs o gaură suplimentară în rezervele strategice de gaze naturale ale planetei.

Să presupunem că în loc de motorizarea electrică alegem un motor cu hidrogen care să ia locul unuia clasic pe hidrocarburi (petrol, gaze).

Energia echivalentă (produsă până la urmă majoritar tot din gaze arse) consumată pentru obţinerea hidrogenului este mai mare decât energia donată de motorul termic cu hidrogen, astfel încât avem deja din start un randament real nefavorabil gazelor, care se vor consuma suplimentar prin înlocuirea efectuată. Însă lucrurile nu se opresc doar aici; în cazul hidrogenului, el trebuie lichefiat şi îmbuteliat, iar energia echivalentă necesară acestei operaţiuni suplimentare este la ora actuală de circa zece ori mai mare decât cea obţinută prin arderea hidrogenului în motorul termic adaptat.

Altfel spus (mai plastic) prin înlocuirea unui motor clasic cu hidrocarburi cu unul electric, consumul echivalent (real) de gaze (şi sau petrol) creşte de circa 1,3 ori în loc să scadă (la scară planetară), iar dacă motorul clasic se va înlocui cu unul pe hidrogen atunci consumul de gaze (sau hidrocarburi arse) va creşte de circa 11,3 ori.

Pentru ca să putem introduce cât mai multe motoare electrice, cu un randament real, şi cu scăderea consumului efectiv de hidrocarburi la scară planetară, este necesară scăderea procentelor de gaze naturale şi petrol utilizate pentru încălzire şi producerea de energie electrică, prin creşterea numărului de centrale nucleare, de centrale eoliene, solare, hidro, etc.

Procedurile nu sunt aşa uşoare cum ar părea la prima vedere, deoarece, atunci când anunţăm cu mândrie că a crescut numărul centralelor eoliene şi solare cu circa 30%, această creştere se raportează la cele existente, şi chiar fără să le mai punem la socoteală pe cele uzate, o creştere de 30% din cele circa 2-3 procente de regenerabile noi existente înseamnă o creştere reală anuală absolută a ponderii planetare a noilor energii regeneabile de la 2-3% la 2,7-4%, adică o creştere în termeni reali a noilor energii de 0,7-1%, care ar însemna foarte puţin în condiţiile menţinerii consumului planetar constant.

Dacă consumul planetar ar fi constant cu o creştere anuală de circa 0,7% noile energii ar putea să le înlocuiască pe cele obţinute din arderea hidrocarburilor în circa 95 ani, iar până atunci acestea s-ar putea epuiza cu mult înainte, planeta şi omenirea intrând astfel într-o criză extrem de gravă, care nu ar mai fi doar energetică.

S-ar pune efectiv problema supravieţuirii, a întoarcerii la peşteri, a unor războaie pentru exterminarea rasei umane, care şi aşa nu stă pe loc ci se înmulţeşte permanent solicitând tot mai multe resurse planetare inclusiv energetice.

Problema este mult mai serioasă decât pare la prima vedere, deoarece consumul energetic al planetei nu staţionează nici el ci creşte cu circa 1-3 procente anual.

O creştere a consumului energetic anual al planetei de numai 0,7-1% anulează automat creşterea noilor regenerabile, iar creşterea suplimentară de consum energetic face ca de fapt noile regenerabile să scadă anual în pondere planetară, ajungând de la 4-5% la 2-3% şi probabil chiar mai jos pe viitor, spre uimirea celor care aşteptau să le vadă crescând efectiv deoarece sunt tot mai multe.

Soluţia evidentă este ca noile regenerabile să crească anual într-un ritm şi mai rapid, cel puţin prin dublarea lor anuală, adică raportat la nivelul lor să sufere o creştere anuală nu de 30% ci de minim 100%.

Astfel putem pune planeta pe un făgaş normal, pornind evident de la noi energii regenerabile, nepoluante.

Separat vom utiliza în continuare şi biocombustibilii din ce în ce mai mult, dar şi noi centrale energetice nucleare alături de cele vechi existente.

E bine să creştem şi centralele hidro acolo unde mai este posibil.

Orice nouă sursă energetică e bine venită!

Se anunţă permanent descoperirea unor noi zăcăminte de gaze naturale dar şi de petrol.

Toate trebuiesc luate serios în calcul, raţionalizate, consumate imediat, ori conservate strategic pentru a fi consumate ceva mai târziu. Nici o rezervă descoperită nu trebuie abandonată sau desconsiderată. Cel puţin pentru moment nu ne putem permite a desconsidera rezervele clasice de energie. „Ce-i în mână nu-i minciună!”

Industria gazelor a trecut într-o nouă etapă, cea a exploatării resurselor neconvenţionale. Acestea au transformat SUA în cel mai mare producător de gaze 5

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX din lume. Estimările instituţiilor de profil arată că rezervele de gaze ale omenirii sunt de fapt cu peste 40% mai mari decât se ştia până acum, datorită resurselor neconvenţionale.

Nu degeaba gazul natural este numit „aurul albastru". La fel ca şi ţiţeiul, în cazul căruia sinonimul „aurul negru" nu mai miră pe nimeni, gazele au devenit vitale pentru civilizaţia umană. În trecut, marile explorări vizau descoperiri de petrol şi, de multe ori, când se găseau doar gaze, dezamăgirea era profundă, iar gazele erau arse pur şi simplu în atmosferă fără nici-un rost. Astăzi se alocă miliarde de euro pe explorări şi de zeci de ori mai mult pentru extracţia de gaze. Însă industria a evoluat atât de repede, încât era gazelor tradiţionale a fost depăşită şi acum se extrag deja resurse declarate neconvenţionale. Gazele neconvenţionale sunt de fapt tot gaze naturale, însă sunt extrase din roci dure şi greu de explorat. Prin urmare, spre deosebire de sondele verticale clasice, noua categorie de resurse are nevoie de o altă tehnologie.

SUA, lider mondial în producţia de gaze neconvenționale (de șist) În ultimii ani, americanii au luat un avans considerabil în această zonă şi au dezvoltat echipamente care par de domeniul SF-ului.

Atȃt de controversate, gazele de șist au reușit deja să aducă o contribuție ȋnsemnată (energetică) la nivel planetar.

Practic, sondele, după ce străpung vertical solul, sunt introduse orizontal în straturi adânci de roci tari.

Acolo sunt produse fisuri unde se strâng gazele, care sunt apoi colectate şi aduse la suprafaţă.

Tehnologia de ultimă generaţie permite extracţia din şisturi bituminoase, din argilă, din roci nisipoase şi din straturi de cărbune.

Se vorbeşte tot mai des despre gazele de şist, cum sunt denumite aceste noi rezerve ultra-strategice (deoarece se extrag şi din şisturile bituminoase).

Oricum ar fi ele vin să mai lungească viaţa rezervelor energetice tradiţionale. Este o bulă de oxigen pentru omenire, deoarece în intervalul de timp câştigat putem încerca şi pune la punct noi tehnologii energetice. În 2003, Consiliul Naţional de Petrol din SUA estima că America de Nord ar putea avea rezerve de 1,1 trilioane de metri cubi de gaze de şist. În acest an, institutul Advanced Resources International din SUA arăta că de fapt acolo ar putea fi de 50 de ori mai multe resurse. În luna aprilie, Administraţia pentru Informaţii Energetice din SUA a emis un raport potrivit căruia,

din anul 2000 încoace, dezvoltarea sectorului resurselor neconvenţionale a relevat că rezervele de gaze ale omenirii sunt de fapt cu peste 40% mai mari decât se ştia până acum.

Deja, Canada a descoperit gaze de şist, adică gaze neconvenționale, în Apalași și în Columbia Britanică. În Polonia se pare se află cele mai mari zăcăminte de gaze de șist din Europa, fiind estimate la 5.300 de miliarde de metri cub.

Iar în Ucraina rezervele de gaz de șist se ridică se pare la cel puțin 30 de trilioane de metri cubi (o rezervă energetică planetară uriașă).

3

EMISIILE PERICULOASE DATORATE AUTOVEHICULELOR RUTIERE ȘI REACȚIILE LOR CU OZONUL

Automobilele clasice, echipate cu motoare termice, de regulă cu ardere internă, produc ȋn permanență extrem de multe noxe, datorate proceselor de ardere a hidrocarburilor ȋn cadrul motoarelor termice. Ȋn continuare se vor prezenta principalele reacții ce generează noxele cele mai periculoase organismului uman.

Ozonul e format din 3 atomi de oxigen: un atom normal, un ion pozitiv şi un ion negativ, legaţi toţi trei între ei, având aceiaşi structură cu cea a moleculei de apă. În stratosferă în 20-30 minute decade iar în oxigenul diatomic cunoscut 2O33O2 (dacă între timp nu are loc o altă reacţie).

Reacția cu un metal (de exemplu, cuprul): Reacţia cu azotul (de fapt cu monoxidul de azot): Din oxid de azot și ozon rezultă bioxid de azot și oxygen.

NO + O3NO2 + O2 Bioxidul de azot reacționează și el cu ozonul rezultȃnd trioxid de azot și oxigen: NO2 + O3NO3 + O2 Acidul azotic reacționează cu ozonul rezultȃnd nitrat de amoniu, oxigen și apă: 2NH3 + 4O3NH4NO3 + 4O2 + H2O Intrȃnd ȋn reacție și cu metalele, acizii, etc, ozonul fixează toate aceste noxe, și le face inofensive, sau chiar le elimină treptat din atmosferă. Ȋn lipsa lui, și cu un miliard de motoare termice din ce ȋn ce mai puternice și mai poluante am fi tot mai bolnavi.

6

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 Ozonul reacţionează cu acidul clorhidric în prezenţa biclorurii de staniu, pe care o transformă în clorură de staniu; se mai obţine şi apă.

3SnCl2 + 6HCl + O33SnCl4 +3H2O Este numai un exemplu care arată cum ozonul transformă un acid extrem de periculos (acidul clorhidric, care arde practic orice) în apă.

Dacă hidrogenul arde în prezenţa oxigenului se obţine apa, dar dacă arderea hidrogenului se face nu în oxigen ci în ozon se obţine gruparea HO2 instabilă: H + O3HO2 + O Două astfel de grupări reacţionează între ele obţinându-se gruparea stabilă H2O4.

2HO2H2O4 Bioxidul de potasiu reacționează cu ozonul transformȃndu-se ȋn trioxid de potasiu, ozonul revenind la forma stabilă și anume oxigenul.

KO2 + O3KO3 + O2 Hidroxidul de potasiu reacționează și el cu ozonul; se obține tot trioxid de potasiu, oxigen și apă:

Fig. 1. Limita de emisii de NOx pentru automobile cu motoare diesel (g/km) O caracteristică importantă a normei de poluare Euro 6 pentru motoare diesel de automobile este reducerea limitei de NOx de la 0.18 la 0.08 g/km.

Pentru a îndeplini această normă motoarele diesel curente de automobile au nevoie de sisteme adiționale de post-tratare a gazelor de evacuare.

Momentan sunt identificate două tehnologii care pot fi aplicate motoarelor diesel Euro 6: 1.catalizator/filtru de NOx (en: NOx trap) 2.sistem de injecție de uree în evacuare (AdBlue) Prima metodă, catalizatorul de NOx, se aplică în general motoarelor diesel de cilindree mică și medie, cu capacitatea cilindrică mai mică de 2 litri. Mai departe vom discuta despre sistemul de injecție de uree în circuitul de evacuare (AdBlue). Acest sistem se poate utiliza pe orice motor diesel, dar fiind mai costisitor, se pretează mai mult la motoarele cu cilindree mare. De reținut că acestă tehnologie se utilizează deja în industria autovehiculelor de transport.

Procesul de reducere a oxizilor de azot din gazele de evacuare, utilizând o soluție pe bază de uree, se numește reducere catalitică selectivă.

Denumirea consacrată a sistemul de injecție de AdBlue este SCR – Selective Catalityc Reduction (fig. 2).

2KOH + 5O32KO3 + 5O2 + H2O Este extraordinară acțiunea ozonului, ȋn atmosfera terestră, el reușind să reacționeze cu aproape toate noxele periculoase sau extrem de periculoase, inclusiv monoxizi, acizi, etc, și obținȃnd ȋntotdeauna ȋn urma reacțiilor chimice produse compuși stabili nepericuloși, care de cele mai multe ori sunt chiar compuși sau elemente bune, necesare, cum ar fi apa sau oxigenul.

Atragem ȋncă odată atenția că distrugȃnd pădurile, distrugem direct și indirect, scutul protector de ozon, care are extraordinar de multe funcții esențiale vieții și protejării acesteia!

4

SISTEME DE TRATARE A EMISIILOR DE NOX

Motoarele diesel, comparativ cu motoarele pe benzină, datorită specificului arderii amestecului aercombustibil, produc emisii mai mari de oxizi de azot și de particule. Acestea sunt emisii poluante cu efect nociv asupra mediului înconjurător și a omului.

Normele de poluare au scopul de a reduce emisiile poluante ale autovehiculelor. În Uniunea Europeană norma de poluare Euro 6 va intra în vigoare de la 1 Ianuarie 2015, pentru noile modele de automobile (fig. 1).

Fig. 2. Automobil cu sistem AdBlue

7

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX Într-un sistem de injecție de uree (SCR) amoniacul este utilizat pentru reducerea oxizilor de azot (NOx). În stare liberă amoniacul (NH3) este toxic. Din acest motiv se utilizează o soluție pe bază de apă și uree (CO(NH2)2), conținutul de uree fiind de aproximativ 32.5%.

Acestă soluție este stabilă din punct de vedere chimic, punctul de îngheț fiind la -11 °C. Denumirea comercială, în Europa, a acestei soluții cu uree este AdBlue.

Ureea CO(NH2)2 se obține prin procedee industriale, prin combinarea bioxidului de carbon (CO2) și a amoniacului (NH3) la temperaturi și presiuni îmalte (150 °C, 50 bari). Substanța rezultată, ureea, este solidă, sub formă de cristale incolore, solubile în apă (H2O).

Sistemul de injecție cu uree este relativ complex și implică costuri adiționale relativ mari. Acest sistem conține un rezervor de uree, sistem de alimentare cu pompă electrică, modul electronic de control (calculator), injector și catalizator. Adițional sistemul mai poate fi prevăzut și cu un senzor de oxizi de azot după catalizator, care măsoară rata de conversie a catalizatorului (fig. 3).

Fig. 4. Denoxtronic – sistem de tratare a emisiilor de NOx prin injecție de AdBlue 1. sistem de alimentare (pompă AdBlue) 2. rezervor AdBlue 3. filtru 4.senzor de temperatură gaze de evacuare 5. senzor de nivel soluție AdBlue 6. modul electronic de control (DCU) 7.ieșiri modul electronic de control (comandă injector, activare rezistență de încălzire, etc.)

8.intrări modul electronic de control (senzor de temperatură, nivel AdBlue, senzori temperatură gaze de evacuare, senzor de NOx, etc.)

9. comunicare protocol CAN 10. diagnoză protocol CAN 11. injector AdBlue 12. senzor de NOx 13. catalizator de oxidare (DOC) 14. catalizator de reducere NOx (SCR) 15.catalizator de oxidare (neutralizare amoniac) Bosch comercializează către producătorii de automobile sisteme complete de injecție de AdBlue numite Denoxtronic. Modulul electronic de control (DCU) comunică prin intermediul magistralei CAN cu restul calculatoarelor de pe automobil (injecție, ABS/ESP, BCM, etc.). In funcție de punctul de funcționare al motorului termic și pe baza informațiilor primite de la senzori, modulul electronic de control (DCU) comandă injecția de AdBlue în sistemul de evacuare (figurile 5-7).

Fig. 3. Componentele principale ale sistemului de injecție de AdBlue (SCR) 1. injector uree 2. catalizator SCR 3.modul electronic de control (calculator) 4. rezervor de uree Rezervorul de uree este prevăzut cu un senzor de nivel pentru a alerta conducătorul auto în privința necesității alimentării cu uree. De asemenea, datorită temperaturii de înghețare a soluției AdBlue (aprox. 11 °C) rezervorul mai este prevăzut și cu o rezistență de încălzire. Comanda rezistenței de încălzire se face de către modului electronic de control pe baza informației primite de la senzorul de temperatură din rezervor (fig. 4).

Fig. 5. Modul electronic Fig. 6. Injector AdBlue control injecție AdBlue (DCU) 8

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 monoxidului de carbon (CO) și a oxizilor de azot (NO).

2NO + O2 → 2NO2 monoxidul de azot (NO) combinat cu oxigenul (O2) este convertit în bioxid de azot (NO2) 2CO + O2 → 2CO2 monoxidul de carbon (CO) combinat cu oxigenul (O2) este convertit bioxid de carbon (CO2) 4HC + 3O2 → 2CO2 + 2H2O Hidrocarburile nearse (HC) în prezența oxigenului (O2) sunt convertite în bioxid de carbon (CO2) și apă (H2O).

După catalizatorul de oxidare are loc injecția de Adblue (uree). După injector, gazele și soluția AdBlue trec printr-un mixer (sită metalică care are rolul de a omogeniza amestecul) și intră în catalizatorul de hidroliză. Acesta are rolul de a extrage amoniacul (NH3) din soluția AdBlue.

Amoniacul (NH3) se obține prin două reacții, una de piroliză și a doua de hidroliză: CO(NH2)2 → NH3 + HNCO (piroliză) ureea (CO(NH2)2) este descompusă în amoniac (NH3) și acid izocianic (HNCO) HNCO + H2O → NH3 + CO2 (hidroliză) acidul izocianic (HNCO) rezultat în urma reacției de piroliză, prin combinație cu apa (H2O), formează amoniac (NH3) și bioxid de carbon (CO2) Catalizatorul SCR conține metale, în special cupru (Cu) și fier (Fe), în prezența cărora au loc reacțiile de reducere a oxizilor de azot (NO și NO2), cu ajutorul amoniacului (NH3). În urma reacțiilor produsele rezultante sunt apa (H2O) și azotul (N2).

Fig. 7. Sistem de alimentare AdBlue (pompă, filtru) Utilizând amoniacul (NH3) ca agent de reducere, sistemele SCR reduc semnificativ oxizii de azot din gazele de evacuare. În general, un motor diesel Euro 6 pentru a putea atinge limitele impuse emisiilor poluante, conține următoarele sistemel de post-tratare a gazelor de evacuare: •catalizator de oxidare (reducere CO, HC, NO, conversie NO) • filtru de particule (reducere PM) • catalizator SCR (reducere NO, NO2) •catalizator de oxidare amoniac (reducere NH3 rezidual) Reacțiile chimice principale ce au loc ȋntr-un astfel de sistem se pot urmări ȋn figura 8.

8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O (1) 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O (2) 2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O (3) Reacția (2) are loc la temperaturi joase, sub 300°C iar reacțiile (1) și (2) la temperaturi mai înalte, de peste 550°C. Catalizatorul de oxidare a amoniacului are rolul de a neutraliza, prin oxidare, amoniacul (NH3) care nu a reacționat în interiorul catalizatorului SCR. Altfel acesta ar fi fost eliberat în atmosferă cu impact toxic asupra mediului înconjurător.

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O Un astfel de catalizator este principala componentă a sistemului de post tratare a gazelor (fig. 9-10).

Fig. 8. Reacțiile chimice complete ale unui sistem de injecție AdBlue (SCR) În catalizatorul de oxidare (DOC) au loc reacțiile de reducere a hidrocarburilor (HC),

9

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX 5

CONCLUZII

Legislația ȋn vigoare reglementează mai multe tipuri de emisii de gaze nocive, inclusiv oxizi de azot (NOx) și pulberi ȋn suspensie (PM), iar importanța scăderii nivelului de Nox și PM nu poate fi subestimată.

Pulberile ȋn suspensie reprezintă particule ȋn sine, funingine și fum (separat de mirosul neplăcut creat), ce pot provoca iritații și chiar leziuni pulmonare, cancer, boli de inimă, infarct miocardic, sau cerebral.

Pe de altă parte oxizii de azot sunt responsabili pentru crearea ploilor acide, precum și pentru producerea de smog și eventual ozon la nivelul solului.

Dacă ozonul de mare altitudine, natural, este componenta vitală a scuturilor terestre, ozonul chimic amestecat cu smog de la nivelul solului, nenatural, nu este de dorit, dovedindu-se tot un produs toxic pentru sistemul respirator uman.

Chiar dacă normele ȋn vigoare devin tot mai drastice, ele trebuiesc respectate, pentru a putea menține un echilibru minim dezvoltării exponențiale a motoarelor termice cu ardere internă de astăzi.

Cu cȃt energia verde va lua locul celei pe hidrocarburi, poluante și ȋn curȃnd epuizabilă, se va trece treptat la ȋnlocuirea motoarelor termice cu cele electrice. Acum nu este posibil deoarece poluarea prin arderea hidrocarburilor ȋn termocentrale este mai mare decȃt cea din motoarele termice cu ardere internă.

Biomasa, care poate ȋnlocui permanent combustibilii fosilici pe cale de dispariție, fiind tot poluantă, nu reprezintă practic decȃt un mijloc energetic de siguranță provizorie.

La fel și controversatele gaze de adȃncime și de șist. Reprezintă o soluție tranzitorie, de rezervă, dar nu sunt soluția optimă pentru planeta noastră, aducȃnd tot o energie poluantă.

Fig. 9. Un sistem de postratare a gazelor de evacuare motor diesel (pretabil Euro 6) 1. catalizator de oxidare (DOC) 2. filtru de particule 3. catalizator hidroliză 4. catalizator SCR + oxidare amoniac Componența chimică a gazelor de evacuare: a – PM, CO, HC, NOx b – PM, NOx c – NOx d – CO(NH2)2 e – N2, CO2, H2O Legenda: PM – particule, CO – monoxid de carbon, HC – hidrocarburi, NOx – oxizi de azot, CO(NH2)2 – uree, N2 – azot, CO2 – bioxid de carbon, H2O – apă.

6

BIBLIOGRAFIE

[1]. Petrescu F.I., Petrescu R.V., Motoare termice, Create Space publisher, USA, October 2012, ISBN 978-1-4802-0488-1, 164 pages, Romanian edition.

[2]. Petrescu F.I., Petrescu R.V., Perspective energetice globale, Create Space publisher, USA, December 2011, ISBN 978-1-4681-3082-9, 80 pages, Romanian edition.

[3]. AdBlue - Sistemul de tratare a emisiilor de NOx (SCR).

Available on: http://www.eautomobile.ro/categorie-motor/19-diesel/140adblue-motor-diesel-uree-scr.html

Fig. 10. Un alt sistem de postratare a gazelor de evacuare motor diesel (pretabil Euro 6) 10