Dieselkatalysator verteert roetdeeltjes

Door Helma Rebel-Struijk
De voordelen zijn duidelijk: dieselmotoren zijn zuinig en bedrijfszeker. Een nadeel is echter dat ze roet uitbraken, al zijn de deeltjes niet altijd met het blote oog zichtbaar. De traditionele katalysator kan zulke vlokjes moeilijk verhapstukken. Een nieuwe generatie is beter in staat de vaste kost te verteren.

Euro1, Euro2, binnenkort Euro3 en wat later Euro4: geen verschijningsvormen van de nieuwe munt maar milieunormen voor dieselauto's. Ooit waren die voertuigen minder vervuilend dan benzineauto's. Sinds de massale invoering van de driewegkatalysator zijn de uitlaatgassen van benzinemotoren echter veel schoner dan dieseluitlaatgassen.

Dieselmotoren produceren namelijk roet. Dankzij technische verbeteringen zijn de huidige motoren niet meer de stinkende 'roetbakken' van ooit, maar het probleem is nog geen verleden tijd. Dat is eigen aan de dieseltechniek. Als de brandstof in de cilinders verstuift, blijft de dieselolie vloeibaar, in de vorm van minuscuul kleine druppeltjes. Daardoor is de verbranding niet volledig; roetvorming is het gevolg.

Autofabrikanten spannen zich in om hun nieuwe dieselmodellen aan de Euro-normen te laten voldoen. Zo is de verneveling van de brandstof steeds fijner, wat zorgt voor betere verbranding. De roetdeeltjes worden kleiner, waardoor het aantal grammen roet afneemt.

Volgens de Euro3-norm, vanaf volgend jaar van kracht, mogen personenwagens maximaal 50 milligram roet per gereden kilometer produceren, ruim anderhalf keer minder dan volgens de nu geldende Euro2-norm. Vijf jaar later gaat de Euro4-norm in, die voorschrijft dat dieselauto's nog maar 20 procent van de Euro3-norm mogen uitstoten.

Bij het vaststellen van deze normen is niet gekeken naar het aantal deeltjes. Dat is echter wel bepalend voor het effect op de volksgezondheid. Bij nieuwe vernevelingstechnieken neemt het aantal roetvlokjes nauwelijks af. Ze worden wel kleiner, waardoor ze makkelijker in het ademhalingsstelsel blijven hangen.

Oplossing
Nabehandeling van de uitlaatgassen biedt een oplossing, verwacht dr. ir. M. Makkee van de Technische Universiteit Delft. Zijn vakgroep industriële katalyse werkt al enkele jaren aan 'dieselkatalysatoren' voor roet en stikstofoxiden.

Eenvoudig de techniek afkijken van de driewegkatalysator voor benzineauto's is er niet bij. Op de wanden van zo'n systeem zitten platina, palladium en rhodium in de vorm van fijn verdeeld poeder, de eigenlijke katalysator. Die zorgt ervoor dat schadelijke stoffen in het uitlaatgas makkelijker verbranden tot 'onschuldige' stoffen. Stikstofoxiden, koolmonoxide en koolwaterstoffen gaan daardoor al bij 250 graden Celsius, de temperatuur in de uitlaat, over in stikstof, kooldioxide (CO₂) en water.

Vaste roetdeeltjes zijn voor de eveneens vaste katalysatorkorreltjes echter moeilijk te verteren, zo geeft Makkee de kern van het probleem aan. De vlokjes botsen af en toe tegen het oppervlak van de katalysator. Er is niet voldoende tijd om het roet te verbranden. Een goede dieselkatalysator moet daarom zorgen voor innig én lang contact.

Niet alleen Makkee houdt zich bezig met het vraagstuk: „Allerlei wonderkatalysatoren zijn gelanceerd en net zo hard weer afgeschoten.” Een enkel systeem heeft de praktijk gehaald. Zo rijdt een aantal Nederlandse stadsbussen rond met een ”continuous regenerating trap (CRT)”. Die zet het stikstofmonoxide in de uitlaatgassen om in stikstofdioxide, een verbinding die op zijn beurt in staat is het roet te verbranden. Zwavel, dat altijd in dieselolie aanwezig is, 'vergiftigt' het systeem echter, en zwavelarme diesel is in Nederland niet standaard verkrijgbaar.

Hechte band
Om ervoor te zorgen dat katalysator en roet een hechte band aangaan, past de onderzoeksgroep van Makkee een truc toe. De katalysator –de chemische verbinding die zorgt voor de omzetting van de schadelijke stoffen in uitlaatgassen, niet het apparaat– wordt in de tank aan de brandstof toegevoegd. „Bij verbranding van de diesel in de cilinder vormen de roetdeeltjes zich dan rond de katalysator. Elk vlokje heeft zo zijn eigen katalysatordeeltje. Door de hitte in het uitlaatsysteem verbrandt het roet.”

Samen met het Amerikaanse bedrijf Clean Diesel Technology werkt de Delftse groep aan de toevoegingen, additieven. Hun katalysator bestaat uit een verbinding van platina en het zeldzame aardmetaal cerium. „Platina zorgt voor de omzetting van stikstofmonoxide naar stikstofdioxide, dat samen met cerium het roet aanpakt. Deze combinatie doet z'n werk al bij 280 graden Celsius, terwijl roet van zichzelf pas verbrandt bij 700 graden. Die 280 graden zit niet ver naast de temperatuur van uitlaatgassen, 150 tot 250 graden bij moderne motoren.”

Omdat de uitlaatpijp niet lang genoeg is voor volledige verbranding, moet het verblijf van het roetdeeltje-met-ingebouwde-katalysator worden gerekt. Een filter in het uitlaatsysteem houdt het deeltje vast totdat het platina het en cerium hun werk hebben gedaan. Van het roet resten daarna nog slechts water en kooldioxide, die via de uitlaatpijp hun weg naar de buitenlucht vinden. De katalysator blijft voor het grootste gedeelte achter in het filter, en is weer terug te winnen.

Binnen twee jaar rijden duurdere modellen van Peugeot rond met een vergelijkbaar systeem, zegt Makkee. De Franse autofabrikant voorziet de auto's van een tankje met enkel cerium als katalysator. Dat werkt wel, maar er is een veel hogere dosering nodig dan van de combinatie platina en cerium. Bovendien verlaagt cerium de temperatuur voor de omzetting van roet minder, er is een temperatuur van 450 graden Celsius nodig.

Die haalt een dieselmotor niet, zelfs niet op topsnelheid. Daarom past Peugeot een handigheid toe. Zodra het motormanagementsysteem vaststelt dat het filter volzit met roet en katalysator, wordt een grotere hoeveelheid diesel in de motor geïnjecteerd, waardoor meer warmte vrijkomt. Elke 500 kilometer heeft zo'n schoonmaakactie plaats; niet meer dan 2 tot 3 minuten zijn ermee gemoeid. Per liter diesel kost het Peugeot-systeem 0,5 tot 1 cent, vergelijkbaar met de combinatiekatalysator van Makkee.

Verdrinken
Roetdeeltjes laten 'verdrinken' in een plas vloeibare katalysator lijkt ook een goede manier te zijn om de schadelijke deeltjes uit dieseluitlaatgas te verwijderen. Momenteel voert de groep van Makkee duurproeven uit met deze ”gesmolten zoutoplossing”. De eerste resultaten zijn hoopgevend.

„Een gesmolten zoutoplossing is een mengsel van twee of drie metaalverbindingen”, legt Makkee uit. „Het smeltpunt van zo'n mengsel is relatief laag, de stoffen smelten als de motor warm is. Als er één stukje roet langs de katalysator komt, verdrinkt dat in zo'n meer.” Om te voorkomen dat de plas katalysator zo de uitlaatpijp uitloopt, wordt het mengsel vastgehouden door een keramisch schuim, een hard materiaal dat de gatenstructuur heeft van een spons.

De Delftse katalysedeskundigen kozen voor verbindingen van metalen die van zichzelf al in diesel en smeerolie voorkomen. „Zo voorkomen we een belangrijk probleem: vergiftiging van de katalysator. Vanadiumzout in de gesmolten zoutoplossing blijft bijvoorbeeld gewoon z'n werk doen als er vanadium uit smeerolie in het uitlaatgas zit.”

De proeven met de gesmolten zoutoplossing verliepen succesvol. „De roetdeeltjes verbranden net zo snel als in het systeem waarbij we de katalysator aan de brandstof toevoegen en bij dezelfde lage temperatuur. Het schuim blijkt 60 tot 80 procent van het roet af te vangen.”

Ook met de levensduur van het systeem zit het wel snor, zegt Makkee. „We hebben de katalysator een week lang mishandeld, blootgesteld aan hoge temperaturen. Daarna deed hij nog keurig zijn werk.” Het dragermateriaal bleek minder goed bestand tegen de duurproeven. Inmiddels werkt Makkee met een nieuw, in Delft ontwikkeld type keramisch schuim dat wel bestand is tegen de hoge temperatuur en de agressieve katalysator.

Zorg
Bron van zorg is –ook met het gebruik van katalysatoren– nog steeds het milieu. Vooral bij de additieventechniek ontsnapt er een hoeveelheid katalysator uit het systeem. Die komt langs de weg terecht. Makkee denkt vooral aan platina. „In Duitsland wordt daar tegen gewaarschuwd. Platina zit ook in de driewegkatalysatoren van benzineauto's en komt nu al in het milieu terecht. Platinaverbindingen zijn heel giftig, ze zitten bijvoorbeeld in antikankermiddelen.”

Maar ook het roet dat ondanks filter en katalysator de uitlaat verlaat, kan een probleem vormen. Honderd procent van het roet afvangen is een utopie. „Er gaat altijd nog zo'n 20 tot 40 procent doorheen. Dat roet komt in contact met zuurstof, waarbij giftige stoffen kunnen ontstaan. We moeten dus ook goed onderzoeken of we niet eindigen met een giftiger situatie dan waarmee we begonnen zijn.”