CUMMINS: Quali sono le differenze tra i sistemi di post-trattamento tra motori a idrogeno e diesel?

Mentre le flotte lavorano per ridurre le emissioni, è fondamentale comprendere le differenze nei sistemi di post-trattamento per i vari tipi di carburante. L'adozione e la crescita dei motori a combustione interna a idrogeno (ICE) è un passo significativo in quanto l'ICE a idrogeno offre un'opzione a basse emissioni e basse emissioni di carbonio per un settore dei trasporti più sostenibile. I meccanismi che puliscono i gas di scarico in questi motori sono fondamentalmente gli stessi del diesel ICE, con la differenza fondamentale di ciò che è nel gas di scarico per cominciare.

Questo articolo approfondisce le principali differenze tra i sistemi di post-trattamento per motori diesel e a idrogeno, fornendo informazioni essenziali per le flotte che affrontano questa transizione.

Come funziona il sistema di post-trattamento nei motori diesel?
I sistemi di post-trattamento dei motori diesel svolgono un ruolo cruciale nella riduzione delle emissioni dei motori diesel. Questi sistemi fungono da filtro per i gas di scarico, garantendo che gli inquinanti nocivi vengano convertiti in sostanze innocue prima di essere rilasciati nell'aria. Troverete sistemi di post-trattamento in ogni applicazione alimentata a diesel.

Il post-trattamento diesel utilizza tecnologie come i filtri antiparticolato diesel (DPF) e le unità di riduzione catalitica selettiva (SCR) per filtrare i gas di scarico. I DPF catturano le particelle di fuliggine direttamente dallo scarico, mentre le unità SCR utilizzano una soluzione a base di urea per trasformare gli ossidi di azoto in azoto e acqua.

È interessante notare che non tutte le applicazioni richiedono sistemi di post-trattamento. Ad esempio, i generatori di energia di emergenza in Nord America sono esenti a causa dei loro casi d'uso specifici.
Questo è vero, tuttavia, nei paesi industrializzati, ma ci sono molte regioni a livello globale che sono ancora in ritardo sui requisiti di emissione che porterebbero alla necessità di sistemi di post-trattamento.

Integrando tecnologie avanzate di post-trattamento, i motori diesel possono continuare a offrire l'efficienza e la potenza per cui sono famosi, riducendo significativamente il loro impatto ambientale. Si tratta di un equilibrio tra prestazioni e responsabilità, che garantisce che i motori diesel possano soddisfare gli attuali standard sulle emissioni e contribuire a un ambiente più pulito.

Sviluppi nel sistema di post-trattamento per motori diesel
I sistemi di post-trattamento dei motori diesel si sono evoluti in modo significativo nel corso degli anni, adattandosi ai severi standard sulle emissioni in varie regioni. In Nord America, i catalizzatori di ossidazione diesel (DOC) sono stati utilizzati fin dagli anni '1990, a seconda del produttore del motore. Il ruolo del DOC è stato quello di avviare il processo chimico che scompone gli inquinanti nel flusso di scarico, preparandoli per un ulteriore trattamento.

In 2007 sono stati introdotti i filtri antiparticolato diesel (DPF), portando un sistema più complesso che è passato da uno stato passivo a uno attivo, con quest'ultimo che richiede un intervento periodico per bruciare il particolato accumulato. Ulteriori progressi sono arrivati nel 2016 con l'introduzione di prodotti a modulo singolo che ospitavano questi componenti in un design più compatto e leggero. Questi sistemi hanno continuato a svilupparsi per soddisfare standard di emissioni ancora più severi, aprendo la strada a sistemi a bassissimo NOx (ossido di azoto) con doppio dosaggio e riscaldatori per migliorare le prestazioni e il controllo.

Il sistema di post-trattamento diesel è maturato in tutti i mercati globali, unificandosi attorno a tecnologie di base che soddisfano le normative ambientali e le esigenze del mercato. Di conseguenza, i percorsi un tempo divergenti della tecnologia delle emissioni diesel in diverse parti del mondo stanno convergendo, creando un approccio più standardizzato per ridurre l'impatto ambientale dei motori diesel.

Come funziona il sistema di post-trattamento nell'ICE a idrogeno?
Ecco la cosa con i motori a idrogeno: idealmente, quando si brucia idrogeno (H2) e ossigeno (O2), ci si aspetta di ottenere solo vapore acqueo e nessuna emissione di NOx - un inquinante dannoso. Ma questo è in un mondo ideale. In condizioni reali, tuttavia, un ICE H2 a combustione magra produce NOx insieme al vapore acqueo. Ciò accade perché l'aria, che contiene azoto, viene utilizzata per la combustione. È qui che entra in gioco il sistema di riduzione catalitica selettiva (SCR) per affrontare gli NOx nelle emissioni dallo scarico.

Piccole quantità di idrocarburi nello scarico, dovute al consumo di olio motore, possono richiedere un catalizzatore di ossidazione nei motori a combustione interna a idrogeno (ICE). Tuttavia, in alcune applicazioni di idrogeno, i livelli di idrocarburi sono così bassi che il catalizzatore di scivolamento dell'ammoniaca alla fine del sistema SCR può essere sufficiente per convertire le emissioni nocive in quelle innocue, eliminando la necessità di un catalizzatore di ossidazione aggiuntivo.

Sebbene la combustione dell'idrogeno non produca direttamente CO2, il funzionamento del sistema SCR può comportare minori emissioni di CO2. È interessante notare che, nonostante ciò, alcune regioni, come l'Europa, possono ancora classificare i motori a combustione interna a idrogeno (ICE) come veicoli a emissioni zero. In Nord America, i regolatori stanno ancora discutendo questa classificazione. Tuttavia, anche con queste emissioni minime, i circuiti integrati a idrogeno ottengono una significativa riduzione di CO2 rispetto ai motori diesel, circa l'90%.

Questo è il motivo per cui l'idrogeno viene spesso definito tecnologia "ponte". Offre l'opportunità di avvicinarsi notevolmente alle emissioni di CO2 zero, fungendo da trampolino di lancio o ponte, a seconda di come lo vedono i regolatori. Va notato che i veicoli elettrici a celle a combustibile a idrogeno (FCEV) sono in genere visti come l'obiettivo a lungo termine, veramente a emissioni zero, ma la loro adozione comporta costi di investimento più elevati.

I sistemi di post-trattamento diventano un componente chiave per i circuiti integrati H2 in questa fase di transizione. Garantiscono che i motori a idrogeno possano ridurre significativamente le emissioni, rendendoli un'alternativa praticabile e più pulita sul mercato. La tecnologia H2ICE è pronta ad evolversi con i sistemi di post-trattamento nel mix, i motori a idrogeno possono infatti fungere da solido ponte verso un futuro automobilistico più verde.

Differenza tra sistemi di post-trattamento a idrogeno e diesel
I motori diesel producono CO2, NOx e particolato (PM). I metodi di post-trattamento come il ricircolo dei gas di scarico (EGR) riducono le emissioni di NOx riducendo le temperature di combustione. Altri metodi, come la riduzione catalitica selettiva (SCR) e la riduzione selettiva non catalitica (SNCR), rimuovono anche gli NOx dai gas di scarico diesel.

Mentre le emissioni di NOx nei motori a idrogeno sono come il diesel, ci sono differenze chiave dopo il trattamento. Il combustibile a idrogeno non richiede un filtro antiparticolato per catturare la fuliggine, che è grande, costosa e necessita di manutenzione. Invece, è possibile utilizzare un catalizzatore di ossidazione più semplice. I sistemi di post-trattamento per ICE diesel e idrogeno sono fondamentalmente simili, con SCR per ICE a idrogeno che utilizza lo stesso fluido di scarico diesel dei motori diesel.

L'idrogeno, tuttavia, pone sfide uniche nel processo di post-trattamento. Il contenuto di acqua nello scarico e la reazione dell'idrogeno con determinati metalli e saldature richiedono l'uso di materiali compatibili con l'idrogeno per mantenere l'integrità del sistema. I motori a idrogeno hanno un processo di combustione più pulito, eliminando la necessità di filtri antiparticolato diesel (DPF) e semplificando il sistema di post-trattamento.

Concentrandoci sulla tecnologia a combustione magra e sul sistema SCR, possiamo controllare e ridurre efficacemente le emissioni di NOx nell'ICE a idrogeno senza la complessità aggiuntiva dei sistemi di post-trattamento diesel.

Migliorare il controllo delle emissioni
Mentre ci avviciniamo all'implementazione dei 2027 standard sulle emissioni dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti, si prevede che ulteriori strumenti per la gestione termica diventeranno più diffusi, potenzialmente in 2024. Questi progressi mirano a ridurre ulteriormente le emissioni di NOx, garantendo che i motori diesel possano soddisfare i severi standard futuri.

L'approccio al controllo delle emissioni varia leggermente tra Europa e Nord America a causa dei diversi driver di mercato. In Europa, l'obiettivo principale è stato tradizionalmente il controllo delle emissioni di NOx, guidato da una forte enfasi sul risparmio di carburante. Alcune regioni possono richiedere il controllo del numero di particelle utilizzando filtri, mentre altre possono richiedere una filtrazione di base per soddisfare i limiti di dimensione delle particelle, poiché i filtri antiparticolato non sono essenziali per catturare la fuliggine come nei motori diesel. Di conseguenza, i sistemi di post-trattamento dell'idrogeno differiranno da un mercato all'altro, con il Nord America che utilizzerà una tecnologia più avanzata per soddisfare le normative a bassissimo contenuto di NOx. Tuttavia, con l'introduzione delle normative Euro 6, la tecnologia di controllo delle emissioni è diventata più allineata tra Nord America ed Europa.

Cummins è all'avanguardia nello sviluppo di tecnologie adatte ai motori diesel e a idrogeno. Man mano che la tecnologia dell'idrogeno continua a maturare, la necessità di complessi sistemi di post-trattamento diminuirà, offrendo un'alternativa più semplice ed ecologica ai motori diesel tradizionali. Cummins rimane impegnata a guidare questa transizione, sviluppando tecnologie per motori che soddisfino le esigenze del futuro riducendo al minimo l'impatto ambientale.

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