di Costantino Radis
Gli ossidi di azoto non ci sarebbero se la combustione fosse ideale. Ossia a temperature molto basse. Ma questo, purtroppo, non succede e la loro formazione è molto più complessa di quanto si possa immaginare. Per chi progetta motori sono una sfida aperta. Di fatto è semplice neutralizzarli. A seconda di come li si considera.
Gli ossidi di azoto sono una sfida aperta per i progettisti di motori diesel.
Nonostante una formazione ben più complessa di quel che non si pensi, la loro neutralizzazione è in realtà semplice. Dipende ovviamente dal peso che viene dato a questo fattore inquinante e in che modo si decide di affrontarlo.
Gli effetti deleteri di queste sostanze sono, a seconda del tipo di ossido di cui si parla, alquanto vari. Si parte da un aggravio delle condizioni dei malati di asma, passando per la reazione con i raggi solari che porta alla formazione di ozono, fino allo smog fotochimico in combinazione con idrocarburi incombusti…ossia con gli elementi che compongono il particolato.
Il diossido e il triossido di azoto (NO2 e NO3) sono ad esempio solubili in acqua portando alla formazione, con l’umidità atmosferica (la classica nebbia), due composti: l’acido nitroso e l’acido nitrico…i principali responsabili delle piogge acide.
Si tratta quindi di clienti alquanto scomodi.
Lo stesso diossido di azoto è anche un forte irritante che, nelle forti concentrazioni tipiche delle aree urbane, porta tosse acuta, dolori al torace, convulsioni nei soggetti predisposti e insufficienza circolatoria. Non ci sono prove che possa essere causa scatenante di tumori.
Ma non finisce qui.
Gioie e dolori
Un altro componente della famiglia è l’ossido di diazoto (N2O). Si tratta di un gas serra che, secondo ricerche condotte dalla nord americana EPA (Environmental Protection Agency) ha un potenziale di riscaldamento par a 310. Ossia, in un arco di 100 anni, risulta 310 volte più impattante rispetto all’anidride carbonica. Ovviamente per pari quantità.
È però anche conosciuto come protossido di azoto che è conosciuto come gas esilarante e viene impiegato anche in campo medico come analgesico o anestetico. Non è tossico per inalazione anche se, visto che è completamente inodore, può provocare asfissia.
Viene anche usato come propellente per aerosol, comburente per razzi o come additivo per i motori a combustione interna.
Si tratta quindi di un gas che ha una pericolosità relativa per l’uomo.
Così come il triossido di diazoto (N2O3) che preso da solo è sostanzialmente innocuo ma che tende facilmente a scindersi in ossido di azoto e diossido di azoto con tutte le conseguenze negative del caso.
L’ultimo protagonista è il pentossido di diazoto (N2O5) che ha un forte effetto su manufatti e ambiente essendo un forte ossidante di metalli, non metalli e sostanze organiche. A contatto con l’acqua reagisce in modo violento dando origine all’acido nitrico che è l’unico acido minerale in grado di intaccare il rame.
Due pesi e due misure
Come si è detto, gli ossidi di azoto sono presenti in modo naturale nell’atmosfera ma quello che preoccupa è la concentrazione elevata dovuta alle attività antropiche.
La loro formazione in queste zone è sostanzialmente dovuta alla combustione con presenza di aria. Si passa quindi dal semplice fuoco del barbecue fino alla centrale termoelettrica a carbone passando per tutte le fasi intermedie fra cui i motori a combustione interna.
La formazione degli ossidi di azoto durante la combustione avviene secondo tre diversi meccanismi: prompt, thermal e fuel.
Il prompt porta alla formazione dell’NOx nella fase iniziale della combustione quando si è presenza di sostanze intermedie molto aggressive che attaccano facilmente l’azoto. Normalmente però questa fase ha una durata breve in quanto il motore raggiunge la fase di temperatura ottimale di funzionamento in poco tempo. La quantità di NOx prodotta in questa fase è quindi molto bassa rispetto alle fasi thermal e fuel.
La fase thermal comporta la presenza di elevate temperature di combustione e una elevata quantità di ossigeno e di azoto. Si tratta della fase maggiormente produttiva e redditizia per un motore a gasolio ed è il momento in cui le elevate temperature dissociano le molecole di azoto (N2) in azoto semplice (N) che tende a essere particolarmente reattivo con l’ossigeno semplice (detto anche ozono) a sua volta ottenuto per dissociazione dell’ossigeno molecolare (O2). L’unione di questi due componenti porta alla formazione degli ossidi di azoto che, una volta espulsi con il gas di scarico e con il relativo abbassamento della temperatura, non si dissociano più e rimangono in atmosfera come agenti inquinanti.
La fase fuel comporta invece la produzione degli ossidi di azoto a partire da quelli presenti in modo naturale negli stessi combustibili fossili. Il carbone, fra tutti, è quello che ne presenta di più e può arrivare anche a percentuali che variano dallo 0,5 al 2%.
La neutralizzazione degli ossidi di azoto nei motori a combustione interna passa sostanzialmente per due strade fra loro completamente differenti sia per impostazione che per filosofia.
Entrambe dipendono dal peso che si vuole attribuire a questi inquinanti nella progettazione del motore e dalla esatta valutazione delle quantità prodotte nel ciclo di combustione…soprattutto in rapporto agli stringenti valori normativi.
Le due strade portano all’EGR (Exhaust Gas Recirculation) o all’SCR (Selective Catalytic Reduction).
Semplicità ed efficienza
Le due strade sono entrambe valide a seconda di dove si deve arrivare. Per motori di piccola cilindrata, in cui i fattori da governare sono meno complessi e rientrano in spazi discrezionali minori, l’EGR può essere una buona soluzione. Ciò non toglie che, però, il sistema sia più complesso, richieda una manutenzione superiore nel tempo e aumenti complessivamente la temperatura del motore che, quindi, va raffreddato in modo più efficiente.
Non parliamo di temperatura di funzionamento ma di temperatura dei componenti in quanto la quantità di calore latente presente è complessivamente superiore.
Non dimentichiamo infatti che abbiamo dei gas di scarico che, anche se parzialmente raffreddati, rientrano nel ciclo per abbassare le temperature di combustione. Questo comporta che una parte importante del calore non viene immediatamente espulsa come elemento costituente dei gas di scarico ma trattenuta e successivamente ridotta da un radiatore appositamente delegato a questo compito.
I gas di scarico reimmessi, inoltre, portano con loro tutti i residui della combustione con delle implicazioni a livello di manutenzione periodica.
La strada dell’SCR, per contro, fa leva su semplicità ed efficienza, due fattori fondamentali che risultano vincenti quando cilindrate e potenze salgono inesorabilmente verso l’alto.
Con risvolti normativi non di poco conto.
Uno sguardo al futuro
Come ben sappiamo, i valori normativi delle emissioni in atmosfera degli ossidi di azoto dipendono dalla fascia di potenza a cui il motore appartiene e adottano un valore espresso in g/kW.
Nel momento in cui la fascia di potenza aumenta,e di conseguenza anche le cilindrate e le prestazioni dei motori, i problemi di riduzione degli ossidi di azoto aumentano in modo quasi esponenziale.
L’efficienza dei sistemi EGR ha dimostrato i propri limiti proprio in applicazioni particolarmente dure. I problemi a cui sono andati incontro i progettisti sono la dissipazione del calore latente, l’affidabilità dei sistemi sul medio-lungo termine e l’applicazione di elementi aggiuntivi filtranti.
Senza contare che, per rispettare gli ultimi step normativi con valori limite molto bassi, l’EGR non riesce a limitare la formazione degli ossidi di azoto obbligando il ricorso al sistema SCR in aggiunta al filtro antiparticolato.
Chi ha scelto di percorrere la strada della Riduzione Catalitica Selettiva ha buttato il proprio sguardo ben oltre il muro che lo separava dal semplice domani per vedere nel futuro di una norma i cui limiti avrebbero evidentemente messo in difficoltà, nelle fasce di potenza più elevata, il sistema EGR.
La scelta di un sistema che non usasse fin da principio l’AdBlue quale fattore riducente degli ossidi di azoto ha portato i propugnatori dell’EGR a doverlo comunque usare negli step finali delle norme. Salvo complicare la vita agli utilizzatori che avranno a che fare con EGR, filtri antiparticolato e apparato di funzionamento dell’SCR.
Uno sguardo al futuro a volte può veramente semplificare le cose. Ma soprattutto renderle più efficienti.
L’azione del sistema con Riduzione Catalitica Selettiva (SCR) è semplice quanto efficace. I motori che adottano questo sistema lavorano al massimo della loro resa, con temperature di combustione molto elevate che comportano la distruzione del particolato ma, per contro, la formazione di molti ossidi di azoto. Questi vengono combinati chimicamente con l’urea presente nell’AdBlue trasformandoli in azoto molecolare e vapore acqueo. L’urea ha la funzione, all’interno del nostro organismo, di eliminare tutte le sostanze azotate prodotte dal nostro metabolismo per espellerle sotto forma di urina. Nel sistema SCR si combina con gli ossidi di azoto presenti nei gas di scarico secondo la reazione chimica 2CO(NH2)2 + 4NO + O2 ê® 4N2 + 2CO2 + 4H2O. I prodotti finali sono quindi anidride carbonica, azoto molecolare e acqua sotto forma di vapore. La reazione chimica potrebbe anche non essere catalitica ma la presenza di un catalizzatore, di solito vanadio su un supporto ceramico poroso, consente di abbassare la temperatura di reazione fra i 265 e i 465 °C con rendimenti più elevati e la stabilità dei prodotti in uscita. Un po’ di chimica non fa male…soprattutto se neutralizza gli ossidi di azoto!
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