Σχολή Θετικών Επιστημών & Τεχνολογίας
Κατάλυση και Προστασία του Περιβάλλοντος
Καταλυτικός έλεγχος εκπομπών πετρελαιοκινητήριων επιβατικών οχημάτων (Diesel)-Εξέλιξη της τεχνολογίας ελέγχου των ΝΟx και
των PM
Αικατερίνη Μπίνου
Επιβλέπων καθηγητής: Γεντεκάκης Ιωάννης
Πάτρα, Σεπτέμβριος 2020
ii
Η παρούσα εργασία αποτελεί πνευματική ιδιοκτησία του φοιτητή («συγγραφέας/δημιουργός») που την εκπόνησε. Στο πλαίσιο της πολιτικής ανοικτής πρόσβασης ο συγγραφέας/δημιουργός εκχωρεί στο ΕΑΠ, μη αποκλειστική άδεια χρήσης του δικαιώματος αναπαραγωγής, προσαρμογής, δημόσιου δανεισμού, παρουσίασης στο κοινό και ψηφιακής διάχυσής τους διεθνώς, σε ηλεκτρονική μορφή και σε οποιοδήποτε μέσο, για διδακτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, άνευ ανταλλάγματος και για όλο το χρόνο διάρκειας των δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας. Η ανοικτή πρόσβαση στο πλήρες κείμενο για μελέτη και ανάγνωση δεν σημαίνει καθ’ οιονδήποτε τρόπο παραχώρηση δικαιωμάτων διανοητικής ιδιοκτησίας του συγγραφέα/δημιουργού ούτε επιτρέπει την αναπαραγωγή, αναδημοσίευση, αντιγραφή, αποθήκευση, πώληση, εμπορική χρήση, μετάδοση, διανομή, έκδοση, εκτέλεση, «μεταφόρτωση» (downloading),
«ανάρτηση» (uploading), μετάφραση, τροποποίηση με οποιονδήποτε τρόπο, τμηματικά ή περιληπτικά της εργασίας, χωρίς τη ρητή προηγούμενη έγγραφη συναίνεση του συγγραφέα/δημιουργού. Ο συγγραφέας/δημιουργός διατηρεί το σύνολο των ηθικών και περιουσιακών του δικαιωμάτων.
iii
Κατάλυση και Προστασία του Περιβάλλοντος
Καταλυτικός έλεγχος εκπομπών πετρελαιοκινητήριων επιβατικών οχημάτων (Diesel)-Εξέλιξη της τεχνολογίας ελέγχου των ΝΟx και
των PM
Αικατερίνη Μπίνου
Επιτροπή Επίβλεψης Πτυχιακής / Διπλωματικής Εργασίας
Επιβλέπων Καθηγητής:
Iωάννης Γεντεκάκης Καθηγητής, Πολυτεχνείο Κρήτης
Συν-Επιβλέπων Καθηγητής:
Ιωάννης Βάκρος Μέλος ΣΕΠ, ΕΑΠ
Πάτρα, Σεπτέμβριος 2020
Πτυχιακή / Διπλωματική Εργασία iv
v ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Με την παρούσα διπλωματική εργασία ολοκληρώνονται οι σπουδές μου στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα σπουδών «Κατάλυση και Προστασία Περιβάλλοντος» του Ελληνικού Ανοιχτού Πανεπιστημίου.
Στις σπουδές μου ήταν καθοριστική η συμβολή των καθηγητών στα γνωστικά αντικείμενα που παρακολούθησα, στους οποίους οφείλω να εκφράσω τις ειλικρινείς μου ευχαριστίες για τη συμβολή τους στην ολοκλήρωση των σπουδών μου.
Ιδιαίτερα επιθυμώ να ευχαριστήσω τους επιβλέποντες στην παρούσα διπλωματική εργασία, κυρίους Γεντεκάκη και Βάκρο για την επιστημονική και συμβουλευτική καθοδήγηση που μου προσέφεραν σε όλα τα στάδια εκπόνησης της εργασίας.
Τέλος, οφείλω να ευχαριστήσω την οικογένειά ,τους φίλους και τους συναδέλφους μου, για τη συμπαράσταση και την υπομονή τους.
vi
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία αναλύει το πρόβλημα των ΝΟx και των PM , από τα πετρελαιοκίνητα οχήματα καθώς και τα βήματα που γίνονται προς την ελαχιστοποίηση των ρύπων αυτών τόσο από το νομοθετικό πλαίσιο όσο και από τις βιομηχανίες και τα ερευνητικά κέντρα. Αρχικά αναλύονται οι επιπτώσεις των συγκεκριμένων ρύπων και η ανάγκη για τη μείωση τους, καθώς και τα νομοθετικά όρια τους σε όλο τον κόσμο και κυρίως στην Ευρώπη. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται ανάλυση των εργαστηριακών δοκιμών πριν την κυκλοφορία των οχημάτων καθώς και οι νέες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια αναλύονται και αξιολογούνται οι τεχνολογίες επεξεργασίας καυσαερίων που χρησιμοποιούνται για τη μείωση των NOx και των PM, ενώ στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται διεξοδικά το σκάνδαλο παραποίησης ρύπων , το οποίο αποτέλεσε και την έναρξη όλης της προσπάθειας για πραγματική μείωση των ΝΟx από τα πετρελαιοκίνητα οχήματα. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα της βιβλιογραφικής έρευνας που αφορούν τόσο τις μέχρι τώρα συνθήκες αλλά και τα μελλοντικά βήματα που πρέπει να ακολουθηθούν.
Λέξεις – Κλειδιά
Επεξεργασία καυσαερίων, Καταλύτης, Καταλυτική Αναγωγή, Φίλτρο Σωματιδίων Dieselgate
vii
Emissions control catalysis in Diesel vehicles-Progress of the NOx and PM control technology
Aikaterini Binou
viii
Abstract
This thesis analyzes the problem of NOx and PM, from diesel vehicles as well as the steps taken in order to eliminate these specific emissions not only by the legislative framework but also from industries and research centers. In the first two chapters the effects of these pollutants and the need to reduce them are analyzed, as well as their legislative limits around the world and especially in Europe. An analysis regarding the laboratory tests and the methods used for those tests before the release of a vehicle is analyzed at the third chapter. The exhaust gas treatment technologies used to reduce NOx and PM are evaluated in the fourth chapter while the fifth chapter examines in detail the "dieselgate" scandal, which actually was the first serious consequence which led to the effort to actually reduce NOx from diesel vehicles. Finally, the conclusions of the bibliographic research are presented, which concern both the current conditions and the future steps that must be followed.
Keywords
After treatment, SCR, DPF, PEMS, Dieselgate
ix
x
Περιεχόμενα
1 Εισαγωγή ... 1
2 Ρύπανση και ρύποι ... 3
2.1 Ατμοσφαιρική ρύπανση ... 3
2.2 Αιωρούμενα Σωματίδια ... 4
2.2.1 Πηγές ...4
2.2.2 Επιπτώσεις PM ...6
2.3 Οξείδια του Αζώτου ... 7
2.3.1 Πηγές ...7
2.3.2 Επιπτώσεις ΝΟx ...9
2.4 Όρια εκπομπών... 11
2.4.1 Ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών ...11
2.4.2 Πρότυπα εκπομπών εκτός Ε.Ε ...15
3 Διαδικασία έγκρισης τύπου ... 18
3.1 Μετρήσεις ... 18
3.1.1 Μετρήσεις στο εργαστήριο ...18
3.1.2 Μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης (RDE) ...23
3.1.3 Τηλεπισκόπηση ...28
3.1.4 Μελέτη σε σήραγγα ...29
3.1.5 Μετρήσεις σε αυτοκινητόδρομο ...30
3.2 Κύκλοι οδήγησης ... 31
3.2.1 NEDC ...31
3.2.2 WLTP ...33
3.2.3 Πραγματικά αποτελέσματα σύγκρισης WLTP και ΝΕDC ...35
4 Τεχνολογίες ελέγχου εκπομπών ... 38
xi
4.1 Ανακυκλοφορία καυσαερίου ... 38
4.2 Τεχνολογίες επεξεργασίας καυσαερίου μετά τον κινητήρα (Αfter-Treatment) 40 4.2.1 Τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας ...40
4.2.2 Αποθήκευση και αναγωγή ΝΟx (NSR) ...43
4.2.3 Εκλεκτική καταλυτική αναγωγή ( SCR) ...45
4.2.4 Οξειδωτικός καταλύτης (Diesel Oxidation Catalyst DOC) ...51
4.2.5 Φίλτρο σωματιδίων Diesel (DPF) ...53
4.2.6 Παράλληλη απομάκρυνση NOx και αιθάλης ...56
5 Σκάνδαλο Dieselgate ... 64
5.1 Γεγονότα ... 64
5.1.1 Η ανακάλυψη του σκανδάλου ...64
5.2 Συσκευές αναστολής ... 67
5.2.1 Μέτρα μετά την αποκάλυψη ...68
5.3 Επιπτώσεις σκανδάλου ... 69
6 Συμπεράσματα ... 71
7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ... 73
xii Κατάλογος Πινάκων, Εικόνων, Σχημάτων, διαγραμμάτων
Εικόνα 2.1 Πηγές PM10 στην ΕΕ το 2010 ανά τομέα . ... 5
Εικόνα 2.2 Εκπομπές ΝΟx στην Ε.Ε το 2019 ανα τομέα ... 8
Εικόνα 2.3 Εκπομπές NOx στον τομέα των μεταφορών το 2019 ... 9
Εικόνα 2.4 Σύγκριση ορίων εκπομπών σε ΕΕ, ΗΠΑ και Ιαπωνία ... 16
Εικόνα 3.1 Διάταξη δυναμομετρικής πέδης ... 19
Εικόνα 3.2 Απεικόνιση εγκατάστασης δοκιμής εκπομπών καυσαερίων. Οι διακεκομμένες γραμμές απεικονίζουν τις γραμμές ελέγχου ... 20
Εικόνα 3.3 ∆ιάταξη συλλογής και αραίωσης καυσαερίου ... 21
Εικόνα 3.4 Διαδικασία προσρόφησης απορρόφησης και δειγματοληψίας σωματιδιακής μάζας... 22
Εικόνα 3.5 Λειτουργία συστήματος PEMS. ... 25
Εικόνα 3.6 Επιβατηγό όχημα με εξοπλισμό PEMS ... 28
Εικόνα 3.7 Προφίλ ταχύτητας του Νέου Ευρωπαϊκού Κύκλου Οδήγησης ... 32
Εικόνα 3.8 Προφίλ ταχύτητας και σχέσης μετάδοσης του WLTP ... 35
Εικόνα 3.9 Αποτελέσματα σύγκρισης των δύο κύκλων σε πραγματικές δοκιμές 37 Εικόνα 4.1 Διάγραμμα περιοχών σχηματισμού ΝΟx και αιθάλης ... 39
Εικόνα 4.2 Κατανάλωση καυσίμου και συμπεριφορά TWC, που σχετίζονται με τη σχέση αέρα-καυσίμου. ... 41
Εικόνα 4.3 Σειρά συστημάτων επεξεργασίας καυσαερίων μετά τον κινητήρα ... 42
Εικόνα 4.4 Ο μηχανισμός αποθήκευσης και αναγωγής του ΝΟx. ... 44
Εικόνα 4.5 Σύστημα επιλεκτικής κατάλυσης SCR. ... 47
xiii Εικόνα 4.6 Σύγκριση καταλύτη SCR CuZ με FeZ μετά από υδροθερμική γήρανση στους 670oC για 64 ώρες (αντιπροσωπεύοντας 120.000 μίλια γήρανσης του οχήματος) ... 50 Εικόνα 4.7 Λειτουργία τυπικού DPF ... 54 Εικόνα 4.8 Προφίλ καύσης αιθάλης σε καταλύτες x% K / Co-MgAlO ( όπου x = 0, 1.5 , 4.5, 7.5 και 10) σε διαφορετικές συνθήκες αέρα. ... 58 Εικόνα 4.9 Διατομή καταλύτη DPNR και μηχανισμός επεξεργασίας NOx και PM . 62 Εικόνα 4.10 Eναλλαγή φτωχής και πλούσιας διεργασίας (A και B, αντίστοιχα) που λαμβάνεται στους 350 ° C στην περίπτωση μείγματος Pt - Ba / Al2O3 / αιθάλης ... 63 Εικόνα 5.1 Μέσες εκπομπές οξειδίων του αζώτου στις δοκιμές του Πανεπιστημίου της Δυτικής Βιρτζίνια ... 65
xiv Συντομογραφίες & Ακρωνύμια
PM Αιωρούμενα Σωματίδια NOx Οξείδια του Αζώτου O3 Τροποσφαιρικό Όζον SOx Οξείδια του Θείου
VOCs Πτητικές Οργανικές Ενώσεις CO2 Διοξείδιο του Άνθρακα
EEA European Environmental Agency- Ευρωπαικος Οργανισμό Περιβάλλοντος ΠΟΥ Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ)
EPA United States Environmental Protection Agency- Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος ΗΠΑ
ΕΕΑ European Economic Area - Ευρωπαϊκος Οικονομικος Χώρος JRC Joint Research Centre- Κοινό Κέντρο Ερευνών
SCR Σύστημα εκλεκτικής καταλυτικής αναγωγής DPF Παγίδα Αιθάλης
EV Ηλεκτρικά οχήματα
WLTP Worldwide Harmonized Vehicle Test Procedure - Παγκοσμίως Εναρμονισμένη Διαδικασία Δοκιμής Ελαφρών Οχημάτων
NEDC New European Driving Cycle - Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης RDE Real Driving Emissions - Ρύποι σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης
PEMS Portable Emissions Measurement System - Μεταφερόμενο σύστημα μέτρησης ρύπων
xv
Πτυχιακή / Διπλωματική Εργασία 1
1 Εισαγωγή
H διαρκής πορεία της εξέλιξης του ανθρώπου τον αναγκάζει να παράγει διαρκώς νέες γνώσεις και τεχνολογίες με αυτοσκοπό όχι μόνο την επιβίωση αλλά τη συνεχή βελτίωση του βιοτικού επιπέδου.
Η παραγωγική δραστηριότητα συνδέεται τόσο με την κατανάλωση των ενεργειακών αποθεμάτων αλλά και με την ρύπανση του αέρα και του περιβάλλοντος γενικότερα.
Πιο συγκεκριμένα η ραγδαία αύξηση των μηχανοκίνητων οχημάτων τις τελευταίες δεκαετίες κατέδειξε τη πρόκληση για την καλύτερη ποιότητα αέρα ειδικά στα μεγάλα αστικά κέντρα , καθώς οι εκπομπές τους είναι μία από τις πρωταρχικές πηγές ατμοσφαιρικής ρύπανσης και αφορά κυρίως τους ρύπους CO, CO2, NOx και PM, που αφορούν και τα βασικά αέρια του θερμοκηπίου.
Στην Ευρωπαϊκή Ένωση η Λευκή Βίβλος της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για τις μεταφορές (ΕΚ, 2011α) λειτουργεί ως πλαίσιο για την καθοδήγηση εξελίξεων στον τομέα των μεταφορών. Η Λευκή Βίβλος στην πρώτη της έκδοση έθεσε 10 στόχους για ένα ανταγωνιστικό και αποδοτικό πόρο σύστημα μεταφορών. Αυτοί οι στόχοι χρησιμεύουν ως σημεία αναφοράς για την επίτευξη του στόχου μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά 60% από τις μεταφορές έως το 2050 (από τα επίπεδα του 1990).[1]
Καθώς οι εκπομπές μεταφορών έχουν αυξηθεί από το 1990, η επίτευξη του στόχου απαιτεί ακόμη μεγαλύτερη μείωση σε σύγκριση με τις εκπομπές του 2010.
Προκειμένου να επιτευχθεί αυτή η συνολική μείωση των αερίων του θερμοκηπίου, προσδιορίστηκε μια σειρά ενδεικτικών στόχων τόσο στη Λευκή Βίβλο όσο και σε άλλα έγγραφα που σχετίζονται με τις μεταφορές. Αυτοί οι ενδεικτικοί στόχοι έχουν σχεδιαστεί για να διασφαλίσουν την επίτευξη κατάλληλης προόδου. Ωστόσο, λόγω της άμεσης σχέσης μεταξύ της μεταφορικής δραστηριότητας και της κατανάλωσης πετρελαίου, και συνεπώς μεταξύ των μεταφορών και των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, η συνεχής αύξηση της ζήτησης μεταφορών υποδηλώνει ότι απαιτούνται σημαντικές προσπάθειες για τη σημαντική μείωση των ανεπιθύμητων επιπτώσεων από αυτόν τον τομέα.[1], [2]
2 Για την επίτευξη των στόχων οι προσπάθειες των αυτοκινητοβιομηχανιών και των ερευνητικών κέντρων εστιάζονται σε νέες τεχνολογίες στους κινητήρες αλλά και στην επεξεργασία των καυσαερίων για μείωση των ρύπων.
Παράλληλα με την έρευνα στον τομέα του Aftertreatment έχει δοθεί ιδιαίτερη βάση στο αυστηρότερο νομοθετικό πλαίσιο που αφορά τις δοκιμές των νέων οχημάτων, και τις συνθήκες στις οποίες γίνονται οι δοκιμές αυτές, στον απόηχο του σκανδάλου παραποίησης ρύπων.
3
2 Ρύπανση και ρύποι 2.1 Ατμοσφαιρική ρύπανση
Σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Περιβάλλοντος (European Environmental Agency- EEA) με τον όρο ατμοσφαιρική ρύπανση εννοούμε την προσθήκη βλαβερών ουσιών από ανθρώπινες δραστηριότητες στην ατμόσφαιρα. Η ατμοσφαιρική ρύπανση είναι εξίσου βλαβερή για τον άνθρωπο όσο και για το περιβάλλον. Ένα μεγάλο ποσοστό του ευρωπαϊκού πληθυσμό κατοικεί σε πόλεις που παρουσιάζονται υπερβάσεις στα όρια των ρύπων και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της ποιότητας του αέρα.
Οι τρείς σημαντικότεροι ατμοσφαιρικοί ρύποι , σε συνάρτηση πάντα με τις επιπτώσεις στην υγεία είναι τα αιωρούμενα σωματίδια (PM), τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) και το τροποσφαιρικό όζον (O3). Η μακροχρόνια και οξεία έκθεση στους προαναφερθέντες ρύπους προκαλεί επιπτώσεις στην υγεία που κυμαίνονται από προσβολή του αναπνευστικού συστήματος μέχρι και πρόωρο θάνατο. Υπολογίζεται πως το 90% του ευρωπαϊκού αστικού πληθυσμού εκτίθεται σε συγκεντρώσεις ρύπων που υπερβαίνουν τα όρια ποιότητας του αέρα τα οποία ενέχουν σοβαρούς κινδύνους την ανθρώπινη υγεία. [3]
Οι πηγές της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι και φυσικές και ανθρωπογενείς. Οι κυριότερες από αυτές είναι :
καύση ορυκτών καυσίμων (παραγωγή ενέργειας , μεταφορές , βιομηχανία)
βιομηχανικές διεργασίες και χρήση διαλυτών, (π.χ βιομηχανίες )
γεωργία,
διαχείριση αποβλήτων
ηφαιστειογενείς εκρήξεις, κονιορτός, εκνέφωση θαλάσσιου άλατος και εκπομπές πτητικών οργανικών ενώσεων
Από την καύση των ορυκτών καυσίμων ένα μεγάλο κομμάτι των εκπομπών ρύπων κατέχει ο τομέας των μεταφορών. Συγκεκριμένα οι μισές περίπου εκπομπές ΝΟx και ένα 20% των εκπομπών σωματιδίων προέρχονται από τις μεταφορές . Με βάση το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με το γεγονός πως στις μεταφορές δεν υπάρχει η
4 δυνατότητα για χρήση μεγάλων και βαρέων συστημάτων μετεπεξεραγσίας καυσαερίου γίνεται ευκολότερα κατανοητό γιατί υπάρχει συνεχής έρευνα και ανάπτυξη στα συστήματα μείωσης εκπομπών από οχήματα.
2.2 Αιωρούμενα Σωματίδια
2.2.1 Πηγές
Τα αιωρούμενα σωματίδια (Particulate Matter / PM) είναι ο γενικός όρος για ένα πολύπλοκο μείγμα στερεών σωματιδίων και υγρών σωματιδίων που βρίσκονται στον αέρα. Ορισμένα σωματίδια, όπως σκόνη, βρωμιά, αιθάλη ή καπνός, είναι αρκετά μεγάλα ή σκοτεινά ώστε να φαίνονται με γυμνό μάτι. Άλλα είναι τόσο μικρά που μπορούν να ανιχνευθούν μόνο με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.[4]
Το μέγεθος, η χημική σύνθεση και άλλες φυσικές και βιολογικές ιδιότητες των σωματιδίων ποικίλλουν ανάλογα με την τοποθεσία και το χρόνο. Οι πηγές μπορεί να είναι φυσικές, όπως πυρκαγιές στα δάση ή το αποτέλεσμα ανθρώπινων δραστηριοτήτων, όπως η οδήγηση οχημάτων και η παραγωγή ενέργειας. Επιπλέον, διάφορα είδη αερίων που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα αντιδρούν μεταξύ τους και παράγουν δευτερεύοντα σωματίδια, όπως θειικά άλατα, που μπορεί να αποτελούν ένα σημαντικό κλάσμα των συνολικών ΡΜ. [5]
Τα PM χωρίζονται σε δύο κατηγορίες :
PM10: εισπνεόμενα σωματίδια, με διαμέτρους που είναι από 10 μm και κάτω
PM2.5: λεπτά εισπνεόμενα σωματίδια, με διαμέτρους γενικά 2,5 μικρόμετρα και μικρότερες.
Οι πρωτογενείς πηγές PM προέρχονται τόσο από ανθρώπινες όσο και από φυσικές δραστηριότητες. Ένα σημαντικό μέρος των ΡΜ δημιουργείται από μια ποικιλία ανθρώπινων ενεργειών. Αυτοί οι τύποι δραστηριοτήτων περιλαμβάνουν γεωργικές και βιομηχανικές διεργασίες, καύση ξύλου και ορυκτών καυσίμων, δραστηριότητες κατασκευής και κατεδάφισης, καθώς και δέσμευση σκόνης στον αέρα. Οι φυσικές (μη ανθρωπογενείς ή βιογενείς) πηγές συμβάλλουν επίσης στο συνολικό πρόβλημα των PM.
5
Εικόνα 2.1 Πηγές PM10 στην ΕΕ το 2010 ανά τομέα . Πηγή [3]
Σε αυτά περιλαμβάνονται η αιολική σκόνη και οι πυρκαγιές
Οι δευτερεύουσες πηγές PΜ είναι οι εκπεμπόμενοι ρύποι στην ατμόσφαιρα που σχηματίζουν ή βοηθούν στη δημιουργία PM. Ως εκ τούτου, αυτοί οι ρύποι θεωρούνται πρόδρομοι του σχηματισμού PM. Αυτοί οι δευτερεύοντες ρύποι περιλαμβάνουν τα οξείδια SOx, NOx, τις πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs) και την αμμωνία. Τα μέτρα ελέγχου που μειώνουν τις πρόδρομες εκπομπές PM τείνουν να έχουν ευεργετικό αντίκτυπο στα επίπεδα PM του περιβάλλοντος.[6], [7]
Στο γράφημα παρουσιάζονται οι συνδυασμένες εκπομπές πρωτογενών σωματιδίων PM101(σωματιδιακή ύλη με διάμετρο 10 μm ή μικρότερη, που εκπέμπονται απευθείας στην ατμόσφαιρα) και δευτερεύοντες ρύπους σχηματισμού σωματιδίων (το κλάσμα διοξειδίου του θείου, SO2, οξειδίων του αζώτου NOx και αμμωνίας NH3 τα οποία , ως
1Στην Ε.Ε το 2010 ( ΕΕΑ-32)
6 αποτέλεσμα φωτοχημικών αντιδράσεων στην ατμόσφαιρα, μετατρέπεται σε σωματιδιακή ύλη με διάμετρο 10μm ή μικρότερη). 2 [8]
2.2.2 Επιπτώσεις PM
Αν και τα χαρακτηριστικά των PM διαφέρουν από τόπο σε τόπο, οι επιδημιολογικές μελέτες σε διαφορετικές τοποθεσίες στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναφέρει γενικά μικρές αλλά συνεπείς, στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ αυξήσεων στην καθημερινή θνησιμότητα και ορισμένων τελικών σημείων νοσηρότητας με αυξήσεις στις συγκεντρώσεις σωματιδίων μικρότερες από 10 μm σε διάμετρο (PM10) και σωματίδια σε διάμετρο μικρότερη από 2,5 μm (PM2,5) (Health Effects Institute, 2001, 2002). Τα PM2.5 θεωρούνται ιδιαίτερα σημαντικά λόγω των συστηματικά αναφερόμενων συσχετισμών μεταξύ των συγκεντρώσεων τους και της καρδιαγγειακής θνησιμότητας σε μελέτες μεγάλου αριθμού δειγμάτων και άλλων μελετών που αναφέρονται στην ενημερωμένη επιστημονική δήλωση της American Heart Association (AHA) για την ατμοσφαιρική ρύπανση και καρδιαγγειακές παθήσεις (Lepeule et al., 2012; Brook et al., 2010)
Μερικοί επιστήμονες έχουν υποθέσει ότι ακόμη μικρότερα, εξαιρετικά λεπτά σωματίδια (με διάμετρο μικρότερο από 0,1 μm), τα οποία κυριαρχούν ως προς τον αριθμό των σωματιδίων στον ατμοσφαιρικό αέρα, μπορεί να είναι ιδιαίτερα τοξικά (Utell and Frampton, 2000; Oberdörster et al., 2000 Ινστιτούτο Επιδράσεων Υγείας, 2013).[5]
Αρκετές έρευνες δείχνουν ότι τα PM επιδρούν σημαντικά στο καρδιαγγειακό σύστημα (Dockery D, Pope et. al, 1995). Η έρευνα για το θέμα αυτό έχει επικεντρωθεί και στις μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της χρόνιας έκθεσης σε μικροσωματίδια αλλά και τις οξείες επιδράσεις των αυξήσεων στην καρδιαγγειακή
2 Οι εκπομπές του δευτερογενούς σωματιδιακού προδρόμου είδους σταθμίζονται με συντελεστή σχηματισμού σωματιδίων πριν από τη συσσωμάτωση: πρωτεύον ΡΜ10 = 1, SO2 = 0,54, ΝΟχ = 0,88 και (ΝΗ3) = 0,64.
7 θνησιμότητα. Σε μια νεότερη ανάλυση (Brook Rajagopalan, Pope et al,2010) αποδείχθηκε ότι για οποιαδήποτε αύξηση της θνησιμότητας που προκλήθηκε από τα PM, τα δύο τρίτα της οφείλονταν στις καρδιαγγειακές παθήσεις.[9]
2.3 Οξείδια του Αζώτου
Το διατομικό μοριακό άζωτο (N2) είναι ένα αδρανές αέριο που αποτελεί περίπου το 80% του αέρα που αναπνέουμε. Ωστόσο, το άζωτο είναι μονατομικό χημικό στοιχείο που έχει επίπεδα ιονισμού (κατάσταση σθένους) και έτσι το άζωτο μπορεί να σχηματίσει διάφορα διαφορετικά οξείδια.[10]
Όταν οποιοδήποτε από αυτά τα οξείδια διαλύεται σε νερό και αποσυντίθεται, σχηματίζει το νιτρικό (HNO3) ή νιτρώδες οξύ (HNO2). Το νιτρικό οξύ σχηματίζει νιτρικά άλατα όταν εξουδετερώνεται ενώ το νιτρώδες οξύ σχηματίζει άλατα νιτρώδους. Έτσι, τα οξείδια του αζώτου και τα παράγωγά του υπάρχουν και αντιδρούν είτε ως αέρια στον αέρα, είτε ως οξέα σε σταγονίδια νερού, είτε ως άλας.
Αυτά τα αέρια, και τα άλατα συμβάλλουν στις επιπτώσεις της ρύπανσης που έχουν παρατηρηθεί και αποδίδονται στην όξινη βροχή. Το υποξείδιο του αζώτου (N2O), το μονοξείδιο (NO) και το διοξείδιο (NO2) είναι τα πιο άφθονα οξείδια του αζώτου στον αέρα. Το N2O (επίσης γνωστό ως αέριο του γέλιου) παράγεται άφθονα από βιογενείς πηγές.
Το Ν2Ο είναι μια ουσία που καταστρέφει τη στοιβάδα του όζοντος και αντιδρά με το Ο3 τόσο στην τροπόσφαιρα (δηλαδή, κάτω από τα 3.000 μέτρα από την επιφάνεια της θάλασσας) όσο και στη στρατόσφαιρα (15.000 -45.000 μέτρα). Το N2O έχει μακρά ημιζωή που εκτιμάται από 100 έως 150 χρόνια.[10], [11]
Τα αέρια NOx αντιδρούν στη δημιουργία αιθαλομίχλης και όξινης βροχής, καθώς επίσης είναι κεντρικά στο σχηματισμό λεπτών σωματιδίων (PM) και του όζοντος στο επίπεδο του εδάφους, και τα δύο σχετίζονται με αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία.
2.3.1 Πηγές
Ο όρος "οξείδια του αζώτου" αναφέρεται στο αέριο μείγμα μονοξειδίου (ΝΟ) και διοξειδίου του αζώτου (ΝΟ2) που υπάρχει στην ατμόσφαιρα. Τα NOx παράγονται
8 από την αντίδραση αζώτου και οξυγόνου στον αέρα κατά τη διάρκεια της καύσης, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε περιοχές με υψηλή κυκλοφορία μηχανοκίνητων οχημάτων, όπως σε μεγάλες πόλεις, η ποσότητα οξειδίων του αζώτου που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα και η ατμοσφαιρική ρύπανση μπορεί να είναι σημαντική. Τα αέρια NOx σχηματίζονται όποτε συμβαίνει καύση παρουσία αζώτου - π.χ. σε κινητήρες αυτοκινήτων αλλά και στη φύση συνήθως από κεραυνούς . [12]
Όταν το άζωτο απελευθερώνεται κατά την καύση του καυσίμου ενώνεται με άτομο οξυγόνου για τη δημιουργία μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ). Αυτό συνδυάζεται περαιτέρω με οξυγόνο για να δημιουργήσει διοξείδιο του αζώτου (NO2). Το μονοξείδιο του αζώτου δεν θεωρείται να είναι επικίνδυνος ρύπος για την υγεία σε τυπικές συγκεντρώσεις στο περιβάλλον, αλλά το διοξείδιο του αζώτου μπορεί να είναι. [13]
Εικόνα 2.2 Εκπομπές NOx στον τομέα των μεταφορών το 2019 [14]
9 Η πλειονότητα των εκπομπών NOx προέρχεται από δύο σημαντικούς τομείς ανθρώπινης δραστηριότητας, τις μεταφορές και την παραγωγή ενέργειας. Στην εικόνα 2.1 φαίνονται οι εκπομπές ΝΟx στην Ε.Ε το 2019 ανά τομέα και φαίνεται πως οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου από τις μεταφορές φτάνουν το 45%. [14]Κάνοντας ανάλυση στον τομέα των μεταφορών , το μεγαλύτερο κομμάτι προέρχεται από τις οδικές μεταφορές και συγκεκριμένα φορτηγά και επιβατηγά οχήματα όπως φαίνεται στην εικόνα 2.2
Εικόνα 2.3 Εκπομπές ΝΟx στην Ε.Ε το 2019 ανα τομέα[13]
2.3.2 Επιπτώσεις ΝΟx
Η ατμοσφαιρική ρύπανση στην Ευρώπη βρίσκεται μόνιμα πάνω από τα επίπεδα που ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) θεωρεί επιβλαβή για την ανθρώπινη υγεία.
Οι κίνδυνοι για την υγεία από την έκθεση σε διοξειδίου του αζώτου (NO2) έχουν μελετηθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια. Το ΝΟ2 είναι ένα επικίνδυνο τοξικό αέριο το οποίο, όταν αναπνέεται σε υψηλά επίπεδα ακόμα και για σύντομη περίοδο, προκαλεί μια σειρά ανεπιθύμητων αναπνευστικών επιδράσεων συμπεριλαμβανομένης της φλεγμονής των αεραγωγών σε υγιή άτομα και αυξημένων αναπνευστικών
10 προβλημάτων σε άτομα με άσθμα ή άλλα προϋπάρχουσα αναπνευστικά προβλήματα.
Η μακροχρόνια έκθεση συνδέεται με τον καρκίνο του πνεύμονα και με μια σειρά άλλων ανωμαλιών στα παιδιά. Το 2015 ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος (European Environment Agency-ΕΕΑ) κατέθεσε για πρώτη φορά τον επίσημο πρόωρων θανάτων που προκαλούνται από τις υπερβάσεις των NO2 σε όλη την Ευρώπη σε 72.000 ετησίως.[15]
Το NO2, που είναι επίσης ένας σημαντικός πρόδρομος του όζοντος και των σωματιδίων εκπέμπεται τόσο από οχήματα όσο και από τη φυσική μετατροπή άλλων οξειδίων του αζώτου (NOx) που παράγονται επίσης κατά την καύση. Τα όρια εκπομπών NOx ρυθμίζονται για τα οχήματα μέσω των προτύπων Euro και το συνολικό επιτρεπόμενο όριο στον αέρα ρυθμίζεται από τα πρότυπα ρύπανσης της ατμόσφαιρας της ΕΕ. Ωστόσο, εκτιμάται ότι έως 27% του αστικού πληθυσμού της Ευρώπης ζει σε περιοχές επιβλαβών υπερβάσεων.[16]
Ενώ οι συγκεντρώσεις του περιβάλλοντος και οι βιομηχανικές εκπομπές NOx μειώθηκαν κατά 30% περίπου από το 2003, οι μετρούμενες ετήσιες μέσες συγκεντρώσεις NO2 στον αέρα των πόλεων δεν ακολούθησαν την ίδια πτωτική τάση.
Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος το αποδίδει αυτό κυρίως σε αυξημένες εκπομπές NO2 από τα πετρελαιοκίνητα οχήματα, οι οποίες σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης δεν ανταποκρίνονται στις κανονιστικές μειώσεις που συμφωνήθηκαν στη νομοθεσία.[17], [18]. Στις αστικές περιοχές τα οχήματα αυτά ευθύνονται για την πλειονότητα των εκπομπών NOx [19] .Ως εκ τούτου, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή κίνησε διαδικασίες για τον έλεγχο των ορίων NO2 σε 12 κράτη μελη της ΕΕ: Αυστρία, Βέλγιο, Τσεχία, Δανία, Γερμανία, Γαλλία, Την Ιταλία, την Πολωνία, την Πορτογαλία, την Ισπανία και τη Μεγάλη Βρετανία.[18], [19]
Oι εκπομπές NOx από τις εξατμίσεις των οχημάτων έχουν ρυθμιστεί σε ολόκληρη την Ευρώπη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν και εισήχθη πρότυπο Εuro.
Τα τελευταία όρια Euro 6 που επιτρέπουν όχι περισσότερα από 80 mg NOx ανά χιλιόμετρο στο δρόμο συμφωνήθηκαν το 2007 και τέθηκαν σε ισχύ τον Σεπτέμβριο του 2014 για νέους τύπους και το Σεπτέμβριο του 2015 για όλα τα νέα οχήματα.
Όμως, δεν κατέστη δυνατή η κατασκευή αυτοκίνητα ντίζελ που πληρούν αυτά τα
11 όρια στο δρόμο. Τα αποτελέσματα μεταξύ δοκιμών και πραγματικών επιδόσεων ήταν 2 φορές μεγαλύτερα για τα οχήματα Euro 3,περισσότερες από 3 φορές για το Euro 4 και περισσότερες από 4 φορές για το Euro 5. Όταν τα οχήματα Euro 6 εισήλθαν για πρώτη φορά στην αγορά το 2014, τυπικά παρήγαγαν περίπου 600mg / km NOx ή 7,5 φορές το όριο των 80mg / km. Τα πιο πρόσφατα μοντέλα είναι καλύτερα, συνήθως 5,5 φορές το όριο (440mg / km). Ωστόσο, οι υπερβάσεις ορισμένων μοντέλων είναι πάνω από 10 φορές μεγαλύτερες από το όριο.[18]
2.4 Όρια εκπομπών
Για τον έλεγχο και τη ρύθμιση των εκπομπών οχημάτων, έχουν συσταθεί δύο κανονιστικές επιτροπές, δηλαδή η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος (EPA) και το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο που επιβάλλουν τους αυστηρότερους κανονισμούς εκπομπών (EURO) .Πράγματι, στην Ευρώπη, τα πρωτόκολλα Euro 6 ισχύουν από τo 2015 έχουν μειώσει τα επίπεδα NOx κατά 87% και τα PM κατά 96%. Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη κατάλληλων τεχνολογιών για την τήρηση των επιβαλλόμενων ορίων. Αυτές ταξινομούνται ως πρωτογενείς ή δευτερεύουσες τεχνικές.[20]
2.4.1 Ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών
Τα επιβατηγά και τα επαγγελματικά οχήματα που πωλούνται στην Ευρώπη υπόκεινται σε αυστηρούς περιορισμούς όσον αφορά την εκπομπή ρύπων τόσο από τον σωλήνα εξαγωγής (καυσαέρια) αλλά και από άλλες πηγές στο όχημα, π.χ.
εκπομπές από το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου.[21]
Τα ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών καθορίζουν τα αποδεκτά όρια για τις εκπομπές καυσαερίων των νέων οχημάτων που πωλούνται στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στα κράτη μέλη του Ευρωπαϊκού Οικονομικού Χώρου (European Economic Area -ΕΕΑ).
Τα πρότυπα εκπομπών ορίζονται σε μια σειρά οδηγιών της Ευρωπαϊκής Ένωσης που εισάγουν την προοδευτική εισαγωγή αυστηρότερων προτύπων.[21], [22]
Η θέσπιση ορίων εκπομπών αφορά οχήματα με μάζα αναφοράς μικρότερη ή ίση με 2.610 kg. Τα οχήματα αυτά είναι τα επιβατηγά οχήματα, τα μικρά φορτηγά και κάποια οχήματα που προορίζονται για ορισμένες ειδικές χρήσεις (για παράδειγμα,
12 ασθενοφόρα). Τα όρια αφορούν όλα τα παραπάνω οχήματα είτε αυτά είναι εξοπλισμένα με κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα (βενζινοκινητήρες, κινητήρες φυσικού αέριο ή υγραερίου - LPG) είτε με κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση (κινητήρες Diesel).[23]
Το πρώτο ευρωπαϊκό πρότυπο εκπομπών καυσαερίων για τα επιβατικά αυτοκίνητα θεσπίστηκε το 1970, αλλά πέρασαν 22 χρόνια πριν από την επόμενη μεγάλη αλλαγή, όταν το 1992 το πρότυπο «Euro 1» προανήγγειλε την τοποθέτηση καταλυτικών μετατροπέων σε βενζινοκίνητα αυτοκίνητα για τη μείωση των εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Πρακτικά , τα πρότυπα που εν συντομία ονομάζονται "Euro"
εισήχθησαν το 1991 με το "Euro 0" για τα επιβατικά αυτοκίνητα και το 1992 με το
"Euro 1" για εμπορικά οχήματα πριν από το Euro 0. Το Εuro 1 είναι αυτό που ελήφθη ως σημείο εκκίνησης για τις αναφορές ευρωπαϊκών προτύπων. [21]
Βενζινοκινητήρες Κινητήρες Diesel Euro
Standard
Ημερομηνία έγκρισης
Ημερομηνία εφαρμογής
ΝΟx (g/km)
PM (g/km)
ΝΟx (g/km)
PM (g/km)
Euro 1 1/7/1992 31/12/1992 0,97 3 - 0,97 3 0,14
Euro 2 1/1/1996 1/1/1997 0,5 3 - 0,9 3 0,1
Euro 3 1/1/2000 1/1/2001 0,15 - 0,5 0,05
Euro 4 1/1/2005 1/1/2006 0,08 - 0,25 0,025
Euro 5 1/9/2009 1/1/2011 0,06 0,0045 4 0,18 0,0045
Euro 6 1/9/2014 1/9/2015 0,06 0,0045 4 0,08 0,0045
Πίνακας 2.1 Εξέλιξη ορίων εκπομπών Euro [24]
Το πρότυπο Euro 2 μείωσε περαιτέρω το όριο για τις εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα και επίσης μείωσε το συνδυασμένο όριο για τους άκαυτους υδρογονάνθρακες και τα οξείδια του αζώτου ενώ εισήγαγε διαφορετικά όρια εκπομπών για βενζίνη και ντίζελ. Με την εισαγωγή του Εuro 3 τροποποιήθηκε η διαδικασία δοκιμής για να επαλειφθεί η περίοδος προθέρμανσης του κινητήρα και μειώθηκαν περαιτέρω τα επιτρεπόμενα όρια μονοξειδίου του άνθρακα και
3 Αναφέρεται σε HC+NOx
4Για βενζινοκινητήρες άμεσης έγχυσης
13 σωματιδίων ντίζελ. Το Euro 3 πρόσθεσε επίσης ένα ξεχωριστό όριο NOx για κινητήρες ντίζελ και εισήγαγε ξεχωριστά όρια HC και NOx στους βενζινοκινητήρες.
Το πρότυπο Euro 4 και το μεταγενέστερο Euro 5 επικεντρώθηκαν στον καθαρισμό των εκπομπών από αυτοκίνητα ντίζελ, ιδίως στη μείωση των PM και των NOx ενώ ήδη από το Euro 4 oορισμένα αυτοκίνητα ντίζελ ήταν εφοδιασμένα με φίλτρα σωματιδίων.
Το πρότυπο Euro 5 μείωσε περαιτέρω τα όρια εκπομπών σωματιδίων από κινητήρες ντίζελ και έτσι όλα τα πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα χρειάζονταν πλέον φίλτρα σωματιδίων για να ανταποκριθούν στις νέες απαιτήσεις. Υπήρξε επίσης περεταίρω περιορισμός των ορίων NOx (μείωση 28% σε σύγκριση με το Euro 4), καθώς και, για πρώτη φορά, ένα όριο σωματιδίων για τους βενζινοκινητήρες (μόνο άμεσης έγχυσης).
Για να αντιμετωπίσει τις επιπτώσεις των πολύ μικρών σωματιδίων, το Euro 5 εισήγαγε , εκτός του ορίου βάρους για τους πετρελαιοκινητήρες, και όριο για τον αριθμό σωματιδίων. Αυτό ίσχυε για τις νέες εγκρίσεις τύπου από τον Σεπτέμβριο του 2011 και για όλα τα νέα αυτοκίνητα ντίζελ από τον Ιανουάριο του 2013.
Το πρότυπο Euro 6 επέβαλλε μια περαιτέρω, σημαντική μείωση των εκπομπών NOx από κινητήρες ντίζελ (μείωση 67% σε σύγκριση με το Euro 5) και θέσπισε παρόμοια όρια για τη βενζίνη και το ντίζελ.
Η ανακυκλοφορία καυσαερίων, δηλαδή η αντικατάσταση μέρους του αέρα εισαγωγής με ανακυκλωμένα καυσαέρια, μειώνει την ποσότητα αζώτου που διατίθεται για οξείδωση προς NOx κατά την καύση, αλλά απαιτείται περεταίρω μετεπεξαργασία καυσαερίων σε συνδυασμό πάντα με τα φίλτρα σωματιδίων για την επίτευξη του στόχου του Euro 5.
Τα πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα Euro 6 μπορούν επίσης να είναι εφοδιασμένα με ένα ή και παραπάνω συστήματα ώστε να πληρούνται οι προδιαγραφές. Kάποια απέ αυτά τα συστήματα, που αναλύονται εκτενέστερα σε παρακάτω κεφάλαια είναι :
Ο προσροφητής NOx (Lean NOx Trap) που αποθηκεύει NOx και το ανάγει σε άζωτο μέσω καταλύτη
14
Το σύστημα εκλεκτικής καταλυτικής αναγωγής (SCR) που χρησιμοποιεί ένα πρόσθετο (Diesel Exhaust Fluid (DEF) ή AdBlue) που περιέχει ουρία που εισάγεται στην εξάτμιση για να μετατρέψει το NOx σε άζωτο και νερό.
Η χρήση του Cerium, ενός υγρού που εγχέεται στη δεξαμενή καυσίμου κάθε φορά που το όχημα ανεφοδιάζεται σε καύσιμα, το οποίο βοηθά την αναγέννηση DPF μειώνοντας τη θερμοκρασία που απαιτείται για την αναγέννηση.[24]–[26]
Από την 1η Σεπτεμβρίου 2017, χρησιμοποιούνται πιο αυστηρές και ρεαλιστικές δοκιμές για την πιστοποίηση νέων μοντέλων αυτοκινήτων έναντι των ορίων εκπομπών Euro 6. Ένας νέος κύκλος εργαστηριακών δοκιμών γνωστός ως WLTP εφαρμόζεται σε όλες τις νέες εγκρίσεις τύπου και , από την 1η Σεπτεμβρίου 2018, εφαρμόζεται και σε όλες τις ταξινομήσεις. Μια επιπλέον δοκιμή εκπομπών στο δρόμο, γνωστή ως πραγματική εκπομπή οδήγησης ή δοκιμή RDE έχει εισαχθεί παράλληλα με το εργαστήριο WLTP για να διασφαλιστεί ότι τα αυτοκίνητα πληρούν τα όρια εκπομπών σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα οδηγικών συνθηκών. Αυτό κρίθηκε αναγκαίο μετά την αποκάλυψη για την μη τήρηση των ορίων σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης[24], [26]
Στην πραγματικότητα υπάρχουν δύο κύριες αιτίες για την μη τήρηση των ορίων στο δρόμο. Πρώτον, η διαδικασία των εργαστηριακών δοκιμών που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των ρύπων και των εκπομπών CO2 στην Ευρώπη σήμερα είναι τελείως μη ρεαλιστική και ασύμφορη και σε καμία περίπτωση δεν αντιπροσωπεύει τις πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Υπάρχει μεγάλη ευελιξία και κενά στα πρωτόκολλα δοκιμών που επιτρέπουν στις αυτοκινητοβιομηχανίες να "παίξουν" με το σύστημα.
Παράλληλα, το σκάνδαλο Dieselgate έδειξε την ευρέως διαδεδομένη πρακτική της απενεργοποίησης των συστημάτων ελέγχου εκπομπών σε πολλές συνθήκες όταν το αυτοκίνητο οδηγείται στο δρόμο και ενώ οι κατασκευαστές ισχυρίζονται ότι χρησιμοποιούν νόμιμο κενό στη νομοθεσία.[18]
15 2.4.2 Πρότυπα εκπομπών εκτός Ε.Ε
Οι φιλόδοξοι κανονισμοί για τις εκπομπές αυτοκινήτων από την Ευρωπαϊκή Ένωση έκαναν την Ευρώπη πρωτοπόρο στα τέλη δεκαετίας του 1990. Επομένως, άλλες παγκόσμιες αγορές (εκτός από την αγορά των ΗΠΑ) θα υιοθετούσαν απλώς το Ευρωπαϊκό δίκαιο, γεγονός που επέτρεψε στους ευρωπαίους παραγωγούς πρωτότυπου εξοπλισμού (Original Εquipment Μanufacturer, OEM) να αποκτήσουν εύκολη πρόσβαση σε ξένες αγορές. Μέχρι σήμερα, οι παγκόσμιες αγορές αυτοκινήτων εξακολουθούν να κυριαρχούνται από το δίκαιο της ΕΕ ή παράγωγα αυτής, αν και αυτή η κατάσταση δεν είναι πλέον σίγουρη. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, ο ευρωπαϊκός νόμος χάνει σιγά-σιγά την αξιοπιστία του και, ως εκ τούτου, το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα για τους κατασκευαστές αυτοκινήτων παγκοσμίως μειώνεται. [26]
Πλέον η "πρώτη θέση" παραδίδεται στις ΗΠΑ, καθώς κατάφερε να καθορίσει ένα μακροπρόθεσμο όραμα με στόχους για το 2025, ενώ η ΕΕ δεν το έχει κάνει ακόμα.
Το πρόσφατο σκάνδαλο εκπομπών NOx (το οποίο αναλύεται παρακάτω στην παρούσα διπλωματική) έδειξε επίσης στον κόσμο πώς τα κράτη μέλη της ΕΕ απέτυχαν να επισκοπήσουν τη δική τους βιομηχανία και να επιβάλουν σημαντικές κυρώσεις. Ως αποτέλεσμα, αγορές όπως η Κίνα κινούνται προς κανονισμούς εκπομπών που βασίζονται στις ΗΠΑ. Αυτό με τη σειρά του θα καταστήσει δυσκολότερο για τους OEM να εξάγουν τα προϊόντα τους, όπως η βασική τεχνολογία ντίζελ, χωρίς προηγμένα συστήματα μετεπεξεργασίας. Σε άλλες αναδυόμενες αγορές όπως η Βραζιλία και η Ινδία υιοθετείται επίσης ο αμερικάνικος νόμος, ενώ οι αυστηροί κανονισμοί NOx οδηγούν στο να χάνει η ευρωπαϊκή βιομηχανία ντίζελ δυνητικά σημαντικές εξαγωγικές αγορές. [24], [27]
Ενα βασικό ερώτημα που προκείπτει απο τα παραπάνω είναι γιατί ενώ ντίζελ είναι τόσο διαδεδομένο στην ΕΕ, δεν καταφέρνει να διεισδύσει σε αγορές όπως οι ΗΠΑ, η Κίνα ή η Ιαπωνία, όπου τα τελευταία ετήσια μερίδια πωλήσεων ντίζελ αυξήθηκαν μόνο κατά 0,81%, 0,04% και 3,7%, αντίστοιχα. Η απάντηση στο ερώτημα είναι πως οι παραπάνω αγορές έχουν ισχύουσες πολιτικές εκπομπών, αλλά με βασικές διαφορές μεταξύ τους. Για παράδειγμα, στο Τόκιο της Ιαπωνίας, η απαγόρευση των πετρελαιοκίνητων οχημάτων στη μητρόπολη διήρκεσε σχεδόν 13 χρόνια και η
16 συγκεκριμένη τεχνολογία έχει αποκτήσει μέτρια δημοτικότητα πρόσφατα.
Παράλληλα με τη μητρόπολη που απαγορεύει τα ντίζελ, η Ιαπωνία ώθησε την εθνική αυτοκινητοβιομηχανία της στην τεχνολογία βενζίνης μέσω αυστηρών κανονισμών NOx και μείωσης των φορολογικών πλεονεκτημάτων για το ντίζελ πριν από 20 χρόνια. Επιπλέον, το πρωτοπόρο πρόγραμμα της Ιαπωνίας για εξοικονόμηση ενέργειας οδήγησε επίσης σε μια ισχυρή «πρασινοποίηση» του στόλου των αυτοκινήτων τους, καθώς το 2015 το 27,1% των πρόσφατα εγγεγραμμένων αυτοκινήτων ήταν είτε υβριδικά, υβριδικά plug-in, ηλεκτρικά (κυψέλες καυσίμου) ή
«καθαρά» οχήματα ντίζελ. Το τελευταίο αναφέρεται σε αυτοκίνητα ντίζελ εξοπλισμένα με DPF, τα οποία συνέβαλαν στο 13,5% του λεγόμενου στόλου επιβατικών αυτοκινήτων «επόμενης γενιάς». [26], [28], [29]
Εικόνα 2.4 Σύγκριση ορίων εκπομπών σε ΕΕ, ΗΠΑ και Ιαπωνία [30]
Η Κίνα, από την άλλη πλευρά, στοχεύει σε σημαντικές βελτιώσεις στην ποιότητα του αέρα μέσα και γύρω από τις μεγάλες πόλεις της και στην ουσιαστική παράκαμψη του ντίζελ με ηλεκτρικά οχήματα (EV) για την επίτευξη αυτού του στόχου. Αυτή η φιλοδοξία οδήγησε στο γεγονός ότι η χώρα έχει επενδύσει δισεκατομμύρια ευρώ για την προώθηση EV, καθώς και για χρηματοδότηση έρευνας και επιδότηση OEMs για
17 αυτοκίνητα και συστήματα μπαταριών. Με αυτόν τον τρόπο, η Κίνα στοχεύει να γίνει παγκόσμιος ηγέτης όσον αφορά την ηλεκτροκίνηση [24], [26].
18
3 Διαδικασία έγκρισης τύπου 3.1 Μετρήσεις
Προτού ένα νέο μοντέλο οχήματος κυκλοφορήσει στην αγορά της ΕΕ, ο κατασκευαστής οφείλει να το υποβάλει στη διαδικασία «έγκρισης τύπου». Με τη διαδικασία αυτή πιστοποιείται ότι το πρωτότυπο οχήματος πληροί το σύνολο των ενωσιακών απαιτήσεων ασφάλειας, προστασίας του περιβάλλοντος και παραγωγής.
Κατά κανόνα, οι κατασκευαστές συγκεντρώνουν χωριστά πιστοποιητικά για τα επιμέρους κατασκευαστικά στοιχεία και τα συστήματα του οχήματος προτού υποβάλουν την αίτηση έγκρισης τύπου για το όχημα συνολικά. Δοκιμές εκπομπών μπορούν να πραγματοποιούνται από αρχή έγκρισης τύπου διαφορετική από εκείνη που χορηγεί την έγκριση τύπου για το όχημα συνολικά [31].
Οι μετρήσεις των ορίων εκπομπής επιβατηγών οχημάτων, καθώς και η μέτρηση της κατανάλωσης καυσίμου πραγματοποιούνται είτε με λειτουργία του οχήματος εντός εργαστηρίου, κατάλληλα εφοδιασμένου και πιστοποιημένου για τη διεξαγωγή τέτοιων μετρήσεων, είτε με μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες, είτε με συνδυασμό των δύο μεθόδων.
H μέτρηση των αερίων ρύπων και της κατανάλωσης καυσίμου γίνεται σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή νομοθεσία όπως περιγράφεται από την οδηγία 70/220/ΕΕΚ με τις τροποποιήσεις της, όπως τελευταία περιγράφεται από την οδηγία 2006/96/ΕΚ [32]
3.1.1 Μετρήσεις στο εργαστήριο
Για την διεξαγωγή της μέτρησης, το όχημα τοποθετείται με τους κινητήριους τροχούς σε δυναμομετρική πέδη (chassis dynamometer),όπως φαίνεται στην εικόνα 3.1,η oποία προσομοιώνει την κίνηση αλλά και την απόδοση του οχήματος στο δρόμο. Το όχημα στερεώνεται σε σταθερή βάση στο έδαφος και αφήνεται για τουλάχιστον 8 ώρες σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, ώστε να φτάσουν τα συστήματά του σε αυτή τη θερμοκρασία (20-23°C), και να εξασφαλιστεί η εγκυρότητα της μέτρησης.[32]
19
Εικόνα 3.1 Διάταξη δυναμομετρικής πέδης [33]
Οι κινητήριοι τροχοί κυλίονται πάνω σε κύλινδρο, η περιφερειακή ταχύτητα του οποίου είναι ίση με την ταχύτητα που απαιτείται για την προσομοίωση. Η πέδη πρέπει να προσομοιώνει τις αντιστάσεις κίνησης του οχήματος κατά την κίνηση του.
Έτσι, η πέδη συνδέεται με ηλεκτρική γεννήτρια η οποία βαθμονομείται ώστε να προσομοιώνει την αντίσταση κύλισης και την αεροδυναμική αντίσταση του οχήματος κατά την κίνησή του με συγκεκριμένες ταχύτητες. Για την προσομοίωση της αδρανειακής αντίστασης, η πέδη εφοδιάζεται με σφονδύλους διαφορετικού μεγέθους ώστε να μπορούν να προσομοιωθούν οχήματα διαφορετικής μάζας. Η αδράνεια του σφονδύλου αντιστέκεται στην επιτάχυνση του οχήματος. Με τον τρόπο αυτό, το όχημα κατά τη λειτουργία του στην πέδη εκτίθεται στο σύνολο των αντιστάσεων που αναπτύσσονται κατά την κίνησή του σε επίπεδο δρόμο. Μπροστά από το όχημα τοποθετείται ανεμιστήρας, ώστε η ψύξη του κινητήρα και των συστημάτων επεξεργασίας καυσαερίου να είναι όσο πιο ρεαλιστική γίνεται. Ο ανεμιστήρας συνδέεται ηλεκτρικά με την πέδη και η ταχύτητα του αέρα είναι ανάλογη με την προσποιούμενη ταχύτητα του οχήματος.[32], [34]