Snižování znečištění ovzduší výfukovými plyny automobilů

Toxické emise z jednoho automobilu ze 60. let jsou asi stejně vysoké jako ze sta moderních automobilů. Nemalou zásluhu na radikálním snížení těchto emisí má objev katalytických konvertorů (hovorově katalyzátorů). Tato zařízení v posledních čtyřiceti letech zabránila emisím znečišťujících látek ve výši až jedné miliardy tun. Spotřebitelé, politici a aktivisté žádají ještě více, protože moderní katalytické konvertory mohou snížit emise o více než 90 %. Proto se vědci a inženýři snaží tato zařízení stále vylepšovat, aby se plnily stále přísnější požadavky na čistotu ovzduší.

Počátky a princip automobilových katalyzátorů

V popředí tohoto úsilí je katalytický konvertor, který byl poprvé vyvinut v USA v roce 1973 ve společnosti Engelhard Corporation. Impulzem pro jeho vývoj byl americký zákon o čistotě ovzduší z roku 1970 (US Clean Air Act), který donutil výrobce automobilů radikálně snížit škodlivé emise. Katalytické konvertory jsou keramická tělesa s vnitřním voštinovým trubkovým uspořádáním s velkým povrchem. Povrch je opatřen nátěrem, který obsahuje kovy, jako je platina, paládium a rhodium, fungující jako katalyzátory při různých chemických reakcích. První katalyzátory měnily oxid uhelnatý (CO) na oxid uhličitý (CO₂) a nespálené uhlovodíky na CO₂ a vodu. Pozdější modely, označované jako „trojcestné konvertory“, rovněž přeměňovaly škodlivé oxidy dusíku (NOx) na dusík a kyslík (správněji "trojčinné", protože odstraňují CO, uhlovodíky a NOx). Přísnější předpisy nutily k neustálému vylepšování technologie. Mezi roky 1992 až 2014 vyžadovaly předpisy EU snížit emise oxidu uhelnatého u nových benzínových automobilů o dvě třetiny a emise uhlovodíků a NOx téměř o řád. V roce 2006 koupila firmu Engelhard společnost BASF a dnes je jedním z největších dodavatelů katalytických konvertorů na světě.

Chabazit

Jedním z posledních objevů je syntetický katalyzátor označovaný jako „měďnatý chabazit“ (copper chabasite), který pomáhá odstranit 95 % NOx z výfukových plynů naftových motorů. Systém pracuje v kombinaci s močovinou, která se přidává do výfukových plynů, kde se mění na čpavek. Minerál chabazit obsahuje pravidelně uspořádané póry, v nichž čpavkové a dusíkaté molekuly reagují za vzniku dusíku a vody. Ahmed Moini, člen týmu, který tuto technologii patentoval v roce 2009, uvedl, že měďnatý chabazit poskytuje jak vynikající katalytickou aktivitu, tak strukturální stabilitu, která zajišťuje dlouhodobou trvanlivost. (Přírodní chabazity jsou silikáty ze skupiny zeolitů, (Ca,Na,K,Sr)₄/Al₄Si₈O₂₄/.12H₂O. Minerál pojmenoval v roce 1788 Louis-Augustin Bosc d´Antic z řeckého chabazios – melodie. Je bezbarvý, bílý, šedý, zelený, žlutý, hnědý i červený, skelně lesklý, průsvitný až průhledný. Vzniká především v dutinách vulkanických hornin, kde tvoří krásné drúzy. Iontovou výměnou se podařilo připravit zeolit obsahující měď a zachovávající si strukturu chabazitu.)

Nové typy katalyzátorů výfukových plynů

Tým BASF vyvíjí příští generaci konvertorů, aby vyhověl přísnější legislativě. Jednou z možností je využít další filtr, který by odstraňoval saze. Vědci BASF ale přišli s jiným řešením, které kombinuje filtraci částic a konvenční třícestnou katalytickou konverzi. Nová konstrukce je tvořena dlouhými paralelními tunely voštinového uspořádání, jimiž procházejí výfukové plyny. Plyny se vedou stěnami tunelu, kde se rozkládají v katalytických reakcích, potom se odvádějí do jiného souboru paralelních tunelů a odtud ven z konvertoru. Póry v tunelových stěnách jsou příliš malé, takže jimi saze nemohou projít, jsou zadrženy a spálí se na CO₂. Nová zařízení se nazývají EMPRO Four-Way Conversion katalyzátory. Výroba nových zařízení znamenala pro BASF vyřešit řadu technických problémů. Filtrační proces například nesmí příliš zvyšovat odpor motoru, protože by to vedlo ke snížení výkonu nebo ke zvýšení spotřeby paliva. První automobily se čtyřcestnými (správněji "čtyřčinnými") konverzními komponentami se objevily na trhu v roce 2016.

Zdroj: The Air We Breathe: New Scientist, 2017, č. 3139, s. 24 – 25. (Inzerát firmy BASF)

Dilema naftových automobilů

Ještě nedávno podporovali politici palivovou účinnost naftových automobilů – naftové motory produkují o 20 % méně CO₂ ve srovnání s benzínovými. Nedávno se ale zvedla velká kritika vůči naftovým automobilům, a to v souvislosti se skandálem s testováním emisí oxidů dusíku ve společnosti Volkswagen. V této souvislosti oznámili primátoři Paříže, Madridu, Athén a Mexico City, že do roku 2025 zakážou provoz naftových automobilů. Naftové motory emitují v průměru 16,5 × více NOx než benzínové. Existují ale velké rozdíly mezi staršími a nejnovějšími typy naftových automobilů. Podle směrnice EU nesmí od roku 2014 naftové motory v laboratorních testech emitovat více než 80 mikrogramů NOx na kilometr (srovnej 500 miligramů NOx na km u naftových automobilů prodávaných před rokem 2000!). Ekvivalentní limit pro benzínové automobily je 60 mg NOx/km. Od září 2017 bude platit ještě přísnější limit, a to nejen u laboratorních testů, ale i v reálných jízdních podmínkách. Naftové motory jsou efektivnější, pokud jde o spotřebu paliva. Proto pokles prodeje nových naftových automobilů sníží schopnost EU plnit cíle ve snižování průměrných emisí CO₂ u nových automobilů ze 130 g/km v roce 2015 na 95 g/km v roce 2021. Je to dilema - bez naftových automobilů nebude Evropa schopná limit, který si sama stanovila, splnit.

Zdroj: New Scientist, 2017, č. 3139, s. 25