Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

1

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 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

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

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX

2

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 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.

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 (spray-

uri) 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

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

3

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 44

0

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.

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX

4

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 foto-

voltaice.

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.

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

5

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

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX

6

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 2O33O2 (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 + O3NO2 + O2

Bioxidul de azot reacționează și el cu ozonul

rezultȃnd trioxid de azot și oxigen:

NO2 + O3NO3 + O2

Acidul azotic reacționează cu ozonul rezultȃnd

nitrat de amoniu, oxigen și apă:

2NH3 + 4O3NH4NO3 + 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.

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

7

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 + O33SnCl4 +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 + O3HO2 + O

Două astfel de grupări reacţionează între ele

obţinându-se gruparea stabilă H2O4.

2HO2H2O4

Bioxidul de potasiu reacționează cu ozonul

transformȃndu-se ȋn trioxid de potasiu, ozonul

revenind la forma stabilă și anume oxigenul.

KO2 + O3KO3 + O2

Hidroxidul de potasiu reacționează și el cu

ozonul; se obține tot trioxid de potasiu, oxigen și apă:

2KOH + 5O32KO3 + 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 aer-

combustibil, 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. 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).

Fig. 2. Automobil cu sistem AdBlue

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX

8

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. 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. 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. 5. Modul electronic Fig. 6. Injector AdBlue

control injecție AdBlue (DCU)

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

9

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.

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),

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).

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).

SISTEME MECATRONICE MODERNE PENTRU TRATAREA EMISIILOR DE NOX

10

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.

Fig. 10. Un alt sistem de postratare a gazelor de

evacuare motor diesel (pretabil Euro 6)

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.

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.e-

automobile.ro/categorie-motor/19-diesel/140-

adblue-motor-diesel-uree-scr.html