Roetvrij dieselen met zout in de pijp

Wie vaak grote afstanden over de weg aflegt, schuift de benzinemotor al snel opzij voor de diesel. Dieselmotoren zijn bedrijfszeker en goedkoop, terwijl de aloude bezwaren over lawaai, stank en futloosheid al lang niet meer opgaan. De laatste jaren rollen steeds verfijndere dieselaars van de band, en die doen in prestaties vrijwel niet onder voor hun benzinedrinkende broeders.

De traditionele roetbak mag daarmee verleden tijd zijn, het roet is nog wel degelijk onder ons. Dieselmotoren verstuiven namelijk brandstof in de cilinders. De dieselolie blijft hierbij vloeibaar, als een wolk minuscule druppeltjes die door de verbrandingskamer danst. Hoe geavanceerd de motor verder ook is, de druppels staan garant voor een onvolledige verbranding. Roet dus.

Dat het roet bij moderne dieselmotoren niet is te zien, komt vooral omdat de roetdeeltjes kleiner zijn geworden. De vervuiling is dus wel verminderd. Maar dat is nog geen reden tot feest, maant dr.ir. M. Makkee, universitair hoofddocent bij de sectie industriële katalyse van TNW. ,,Roetdeeltjes absorberen schadelijke verbrandingsproducten zoals PAK’s. Omdat de deeltjesgrootte de laatste jaren afneemt, naderen ze een grens waarbij de volksgezondheid in het geding komt. Door hun geringe afmetingen blijven ze namelijk makkelijk in het ademhalingsstelsel hangen.”

De meeste personenauto’s bezitten een geregelde drieweg-katalysator. Het schier eindeloze gangenstelsel van zo’n apparaat is behangen met edelmetalen als rhodium, palladium en platina. Die verlagen de temperatuur waarbij restproducten in het uitlaatgas verbranden. Het overschot koolwaterstoffen, stikstofoxiden en koolmonoxide wordt bij circa 250 graden Celsius omgezet in koolzuurgas, stikstof en water.

Maar tegenover roet staat zo’n traditionele katalysator machteloos. De relatief grote roetdeeltjes zijn nauwelijks te behappen voor de katalysator. De deeltjes botsen hier en daar wel tegen het katalysatoroppervlak, maar de contacttijd is te kort om het roet volledig te verbranden. Ruim de helft van de roetdeeltjes verdwijnt zo ongemoeid in de lucht.
Platina-plus

Maar er gloort hoop aan het eind van de uitlaat. De sectie van Makkee werkt al een tijdje aan twee nieuwe typen dieselkatalysatoren. Dit project krijgt 1,8 miljoen gulden van STW en wordt verder voor 1,3 miljoen gesteund door de EU. Enkele jaren terug werd bij Scheikunde al een methode ontwikkeld om de uitstoot van stikstofoxiden bij dieselvoertuigen te verminderen. Het roet kwam daar echter ongestoord doorheen. De systemen die nu worden getest, moeten de roetuitstoot letterlijk tot nul reduceren.

Samen met het Amerikaanse bedrijf Clean Diesel Technology, test de katalysegroep momenteel een systeem voor autobussen en vrachtauto’s in Taiwan. Hierbij is het probleem omgedraaid: als het roet niet naar de katalysator wil, dan moet de katalysator maar naar het roet. De edelmetalen worden niet meer tussen de uitlaat geplaatst maar verdwijnen in de brandstof.

Makkee: ,,Aan de diesel voegen we platina-plus toe, een verbinding van platina en het zeldzame aardmetaal cerium. Per liter brandstof praat je dan over een halve milligram platina en vijf milligram cerium, oftewel één à twee cent aan additieven.”

Bij de verbranding vormt de stof een kiem waarop het roet neerslaat. Op deze wijze krijgt ieder roetdeeltje een eigen katalysator. Door de hitte in het uitlaatsysteem breekt de bimetallische verbinding het roet vervolgens geleidelijk af.
Verstopt

Omdat de uitlaat niet lang genoeg is voor een volledige roetomzetting, moet er een filter tussen worden geplaatst. Die houdt de roetbolletjes vast tot het platina-plus zijn werk heeft gedaan. De katalysatorverbinding blijft daarna in het filterhangen, en kan voor 98 procent worden teruggewonnen.

De testen in Taiwan zijn veelbelovend, maar de autofabrikanten tonen zich vooralsnog terughoudend. ,,Het idee van een filter in de uitlaat schrikt hen af”, vermoedt Makkee. ,,Als het verstopt raakt rijdt de auto namelijk niet meer. Maar zonder onderhoud kun je zeker honderdduizend kilometer met zo’n filter rondrijden, blijkt uit de veldtesten.”

Peugeot heeft als enige autofabrikant wel plannen met een soortgelijk systeem. Vanaf 2001 zullen duurdere modellen ermee worden uitgerust. Er zijn wel verschillen tussen het systeem van Peugeot en dat van de TU, benadrukt Makkee. ,,Het systeem van Peugeot maakt gebruik van cerium in plaats van platina-plus. Dat kan ook wel, maar voor een goede werking heb je twintig keer zoveel cerium nodig. Door die hogere dosering is meer onderhoud nodig. Bovendien werkt hun systeem pas lekker bij 450 graden Celsius, terwijl dat van ons al bij 280 graden functioneert”.

Een nadeel van het additievensysteem van Makkee is dat de auto een platina-plus-oplossing aan boord moet hebben. Dat kan in de papieren lopen: de literpotten die de katalysesectie er doorheen jaagt kosten achtduizend gulden per stuk. Daar staat tegenover dat de technologie vrij recht-toe-recht-aan is. Bij vrachtwagens en autobussen is het systeem dan ook zonder meer toe te passen, meent Makkee. ,,Dat is een kwestie van een filter in de uitlaat plaatsen en dan kun je bij wijze van spreken morgen weer de weg op.”
Verrassing

Maar de katalysegroep heeft nog een troef achter de hand. Een gesmolten zoutoplossing blijkt het roet ook prima af te vangen. ,,We zijn nu een katalysator aan het testen op basis van gesmolten cesium-, vanadium- en molybdeenzouten”, vertelt Makkee. ,,Bij verhitting door het uitlaatgas vormen die een eutecticum, een toestand waarbij het smeltpunt van het zoutmengsel lager is dat dan van de individuele zouten. Met zo’n plasje hopen we tachtig procent van de roetdeeltjes te kunnen verwijderen.”

Dit onderzoeksproject met zout heeft al de aandacht getrokken van een katalysatormaker en enkele autofabrikanten. Dat de experimenten zo succesvol verlopen is eigenlijk een verrassing, bekent Makkee. ,,Hoe dit katalyseproces precies verloopt weten we nog niet. Het kan zijn dat de roetdeeltjes eerst in het zoutmengsel wegzinken en dan pas worden afgebroken, maar een geleidelijke omzetting aan het oppervlak is ook mogelijk. Binnenkort laten we het proces daarom in de VS onderzoeken onder een elektronenmicroscoop. Met die kennis kunnen we het systeem verder optimaliseren.”

Inmiddels heeft het onderzoek een gepatenteerd filter opgeleverd, waarin het eutecticum in een rij kuiltjes ligt. Omdat het zoutmengsel bijzonder corrosief is, wordt de mechanische stabiliteit van het toestel nog onderzocht. Niet op een automotor, maar op een kleine dieselgenerator.

,,Automotoren leveren zoveel vermogen dat we de afvalwarmte niet kwijt kunnen”, verklaart Makkee. ,,Maar deze maand gaan we de gesmolten-zoutkatalysator uitgebreider testen. Uit eerdere experimenten weten we al dat het systeem ook onder extreme omstandigheden stabiel is. Na de zomer hopen we het uitgewerkte concept dan bij de katalysatorfabrikant te kunnen afleveren.” Wie weet scheuren de truckers straks wel met zout in de pijp over de Brennerpas.

Wie vaak grote afstanden over de weg aflegt, schuift de benzinemotor al snel opzij voor de diesel. Dieselmotoren zijn bedrijfszeker en goedkoop, terwijl de aloude bezwaren over lawaai, stank en futloosheid al lang niet meer opgaan. De laatste jaren rollen steeds verfijndere dieselaars van de band, en die doen in prestaties vrijwel niet onder voor hun benzinedrinkende broeders.

De traditionele roetbak mag daarmee verleden tijd zijn, het roet is nog wel degelijk onder ons. Dieselmotoren verstuiven namelijk brandstof in de cilinders. De dieselolie blijft hierbij vloeibaar, als een wolk minuscule druppeltjes die door de verbrandingskamer danst. Hoe geavanceerd de motor verder ook is, de druppels staan garant voor een onvolledige verbranding. Roet dus.

Dat het roet bij moderne dieselmotoren niet is te zien, komt vooral omdat de roetdeeltjes kleiner zijn geworden. De vervuiling is dus wel verminderd. Maar dat is nog geen reden tot feest, maant dr.ir. M. Makkee, universitair hoofddocent bij de sectie industriële katalyse van TNW. ,,Roetdeeltjes absorberen schadelijke verbrandingsproducten zoals PAK’s. Omdat de deeltjesgrootte de laatste jaren afneemt, naderen ze een grens waarbij de volksgezondheid in het geding komt. Door hun geringe afmetingen blijven ze namelijk makkelijk in het ademhalingsstelsel hangen.”

De meeste personenauto’s bezitten een geregelde drieweg-katalysator. Het schier eindeloze gangenstelsel van zo’n apparaat is behangen met edelmetalen als rhodium, palladium en platina. Die verlagen de temperatuur waarbij restproducten in het uitlaatgas verbranden. Het overschot koolwaterstoffen, stikstofoxiden en koolmonoxide wordt bij circa 250 graden Celsius omgezet in koolzuurgas, stikstof en water.

Maar tegenover roet staat zo’n traditionele katalysator machteloos. De relatief grote roetdeeltjes zijn nauwelijks te behappen voor de katalysator. De deeltjes botsen hier en daar wel tegen het katalysatoroppervlak, maar de contacttijd is te kort om het roet volledig te verbranden. Ruim de helft van de roetdeeltjes verdwijnt zo ongemoeid in de lucht.
Platina-plus

Maar er gloort hoop aan het eind van de uitlaat. De sectie van Makkee werkt al een tijdje aan twee nieuwe typen dieselkatalysatoren. Dit project krijgt 1,8 miljoen gulden van STW en wordt verder voor 1,3 miljoen gesteund door de EU. Enkele jaren terug werd bij Scheikunde al een methode ontwikkeld om de uitstoot van stikstofoxiden bij dieselvoertuigen te verminderen. Het roet kwam daar echter ongestoord doorheen. De systemen die nu worden getest, moeten de roetuitstoot letterlijk tot nul reduceren.

Samen met het Amerikaanse bedrijf Clean Diesel Technology, test de katalysegroep momenteel een systeem voor autobussen en vrachtauto’s in Taiwan. Hierbij is het probleem omgedraaid: als het roet niet naar de katalysator wil, dan moet de katalysator maar naar het roet. De edelmetalen worden niet meer tussen de uitlaat geplaatst maar verdwijnen in de brandstof.

Makkee: ,,Aan de diesel voegen we platina-plus toe, een verbinding van platina en het zeldzame aardmetaal cerium. Per liter brandstof praat je dan over een halve milligram platina en vijf milligram cerium, oftewel één à twee cent aan additieven.”

Bij de verbranding vormt de stof een kiem waarop het roet neerslaat. Op deze wijze krijgt ieder roetdeeltje een eigen katalysator. Door de hitte in het uitlaatsysteem breekt de bimetallische verbinding het roet vervolgens geleidelijk af.
Verstopt

Omdat de uitlaat niet lang genoeg is voor een volledige roetomzetting, moet er een filter tussen worden geplaatst. Die houdt de roetbolletjes vast tot het platina-plus zijn werk heeft gedaan. De katalysatorverbinding blijft daarna in het filterhangen, en kan voor 98 procent worden teruggewonnen.

De testen in Taiwan zijn veelbelovend, maar de autofabrikanten tonen zich vooralsnog terughoudend. ,,Het idee van een filter in de uitlaat schrikt hen af”, vermoedt Makkee. ,,Als het verstopt raakt rijdt de auto namelijk niet meer. Maar zonder onderhoud kun je zeker honderdduizend kilometer met zo’n filter rondrijden, blijkt uit de veldtesten.”

Peugeot heeft als enige autofabrikant wel plannen met een soortgelijk systeem. Vanaf 2001 zullen duurdere modellen ermee worden uitgerust. Er zijn wel verschillen tussen het systeem van Peugeot en dat van de TU, benadrukt Makkee. ,,Het systeem van Peugeot maakt gebruik van cerium in plaats van platina-plus. Dat kan ook wel, maar voor een goede werking heb je twintig keer zoveel cerium nodig. Door die hogere dosering is meer onderhoud nodig. Bovendien werkt hun systeem pas lekker bij 450 graden Celsius, terwijl dat van ons al bij 280 graden functioneert”.

Een nadeel van het additievensysteem van Makkee is dat de auto een platina-plus-oplossing aan boord moet hebben. Dat kan in de papieren lopen: de literpotten die de katalysesectie er doorheen jaagt kosten achtduizend gulden per stuk. Daar staat tegenover dat de technologie vrij recht-toe-recht-aan is. Bij vrachtwagens en autobussen is het systeem dan ook zonder meer toe te passen, meent Makkee. ,,Dat is een kwestie van een filter in de uitlaat plaatsen en dan kun je bij wijze van spreken morgen weer de weg op.”
Verrassing

Maar de katalysegroep heeft nog een troef achter de hand. Een gesmolten zoutoplossing blijkt het roet ook prima af te vangen. ,,We zijn nu een katalysator aan het testen op basis van gesmolten cesium-, vanadium- en molybdeenzouten”, vertelt Makkee. ,,Bij verhitting door het uitlaatgas vormen die een eutecticum, een toestand waarbij het smeltpunt van het zoutmengsel lager is dat dan van de individuele zouten. Met zo’n plasje hopen we tachtig procent van de roetdeeltjes te kunnen verwijderen.”

Dit onderzoeksproject met zout heeft al de aandacht getrokken van een katalysatormaker en enkele autofabrikanten. Dat de experimenten zo succesvol verlopen is eigenlijk een verrassing, bekent Makkee. ,,Hoe dit katalyseproces precies verloopt weten we nog niet. Het kan zijn dat de roetdeeltjes eerst in het zoutmengsel wegzinken en dan pas worden afgebroken, maar een geleidelijke omzetting aan het oppervlak is ook mogelijk. Binnenkort laten we het proces daarom in de VS onderzoeken onder een elektronenmicroscoop. Met die kennis kunnen we het systeem verder optimaliseren.”

Inmiddels heeft het onderzoek een gepatenteerd filter opgeleverd, waarin het eutecticum in een rij kuiltjes ligt. Omdat het zoutmengsel bijzonder corrosief is, wordt de mechanische stabiliteit van het toestel nog onderzocht. Niet op een automotor, maar op een kleine dieselgenerator.

,,Automotoren leveren zoveel vermogen dat we de afvalwarmte niet kwijt kunnen”, verklaart Makkee. ,,Maar deze maand gaan we de gesmolten-zoutkatalysator uitgebreider testen. Uit eerdere experimenten weten we al dat het systeem ook onder extreme omstandigheden stabiel is. Na de zomer hopen we het uitgewerkte concept dan bij de katalysatorfabrikant te kunnen afleveren.” Wie weet scheuren de truckers straks wel met zout in de pijp over de Brennerpas.