Ossidi d’Azoto (NOx): cosa sono, quando si generano e come si contrastano?

Catalizzatrore SCR

Ossidi d’Azoto (NOx): cosa sono, quando si generano e come si contrastano? – L’inquinante maggiormente responsabile ai giorni nostri della non bella reputazione dei seppur moderni ed efficienti motori diesel.

Le emissioni inquinanti, le strategie per abbatterle o eliminarle, i cicli di omologazione e le normative anti-inquinamento sono tematiche al giorno d’oggi quanto mai attuali. Sia i recenti scandali sulle emissioni, sia la messa al bando delle vetture a gasolio da parte di alcune città europee che l’abbandono da parte di alcune Case costruttrici dello sviluppo di nuove motorizzazioni a gasolio a causa degli ingenti investimenti che le stesse Case dovranno affrontare per poter rispettare le sempre più stringenti normative, hanno portato questi delicati argomenti sulla bocca di tutti rendendoli di dominio pubblico.

Se da un lato le unità a gasolio si sono sempre dimostrate delle motorizzazioni parche nei consumi e quindi capaci di emettere minori quantitativi di CO2 rispetto alle unità alimentate a benzina, dall’altro lato hanno sempre dovuto fare i conti con altri due inquinanti altrettanto importanti e pericolosi. Stiamo parlando del Particolato o PM10 e degli Ossidi d’Azoto o NOx che, seppur sempre più contrastati e combattuti dai moderni sistemi di post trattamento dei gas di scarico, sono purtroppo le principali cause dell’elevato accanimento odierno da parte delle istituzioni nei confronti di queste motorizzazioni alimentate con un combustibile di minore nobiltà.

In questa seconda trattazione andremo ad analizzare gli Ossidi d’Azoto (NOx) per capire nello specifico di cosa si tratta, quando si generano all’interno del motore e quali sono le attuali strategie per contrastarli o eliminarli.

Cosa sono e quando si generano

Ossidi d'Azoto NOx

Con il termine NOx vengono indicati genericamente l’insieme dei due più importanti ossidi di azoto a livello di inquinamento atmosferico ossia l’ossido di azoto NO e il biossido di azoto NO2 che sono normalmente generati durante una combustione che avviene utilizzando aria. Nello specifico, l’ossido di azoto NO si forma, specialmente nei motori a combustione interna, a partire dall’azoto presente in atmosfera con l’aiuto delle elevate temperature e di una grossa quantità di ossigeno.

Per descrivere quindi che cosa sono gli ossidi d’azoto bisogna partire dall’aria che noi tutti respiriamo e che prende parte ai processi di combustione nei motori endotermici. Tale aria è composta al 21% di ossigeno O2 e al 78% di azoto N2. Ora, se consideriamo che il motore diesel lavora normalmente in eccesso di aria (cioè con miscele povere 25:1) e con elevati rapporti di compressione (anche 19:1) e che, grazie all’iniezione diretta e alla sovralimentazione, in camera di combustione vengono raggiunte elevate pressioni e temperature, elevata densità di carica ed eccesso di ossigeno, capite bene come questa possa essere un ambiente favorevole alla formazione di NOx.

Sistemi di post trattamento

Nello specifico, la principale causa che porta alla formazione degli NOx durante la combustione è costituita dall’ossidazione dell’azoto presente nell’aria, ossidazione che avviene grazie alle alte temperature raggiunte nella zona di reazione e nella massa dei gas già combusti, che favorisce l’associazione dell’azoto N2 con l’ossigeno O2 formando monossido di azoto NO. Il successivo drastico abbassamento di temperatura, riscontrabile nella fase terminale della combustione, congela la reazione sopra descritta impedendo la riassociazione dell’azoto e dell’ossigeno, scaricando quindi a valle il sottoprodotto NO e favorendo l’emissione di ossidi di azoto NOx.

Come si contrastano

Per limitare o contrastare le emissioni di NOx bisogna in primis fare in modo di ottenere una combustione il più uniforme possibile, evitando i picchi di temperatura e cercando di ridurre la velocità di combustione. Purtroppo esattamente l’opposto di quanto avviene attualmente nei moderni motori diesel che, a causa dell’iniezione diretta ad alta pressione, degli elevati rapporti di compressione e delle sempre più performanti sovralimentazioni, tendono a innescare processi di combustione rapidissimi caratterizzati da elevati e improvvisi valori di pressione e temperatura.

EGR

Un secondo e più efficace metodo è l’adozione del sistema di ricircolo dei gas di scarico o EGR (sigla derivata dall’inglese Exhaust Gas Recirculation) che consiste nel riciclare una parte dei gas di scarico, gas ormai inerti relativamente più freddi, reiniettandoli nelle camere di combustione così da contenere le temperature interne e l’eccesso d’ossigeno, principali fattori della formazione d’ossidi d’azoto NOx. Esistono però due sistemi ben distinti di EGR: quello di alta pressione e quello di bassa pressione.

EGR alta pressione VS EGR bassa pressione

EGR alta pressione

Nel caso dell’EGR tradizionale, detta anche “ad alta pressione”, i gas vengono recuperati all’uscita dei cilindri e reiniettati direttamente nell’aspirazione, miscelandoli con l’aria fresca in entrata. In tal modo viene limitata la formazione degli ossidi d’azoto durante la combustione, ma l’incremento delle temperature in fase d’aspirazione e la limitazione della pressione di sovralimentazione influiscono negativamente sul rendimento del motore. Inoltre, va aggiunto che la regolazione di questo tipo di EGR, attuata per mezzo di una valvola, porta ad un ulteriore riduzione del rendimento motore.

L’EGR “a bassa pressione” invece si basa sul recupero dei gas di scarico più a valle, ovvero dopo il passaggio nella turbina e nel filtro anti particolato. I flussi vengono quindi raffreddati all’interno di uno scambiatore di calore e nuovamente veicolati nel turbo, miscelandoli con l’aria fresca aspirata così da ottenere un aumento della pressione di sovralimentazione. A questo punto vi è un ulteriore processo di refrigerazione nell’intercooler e, in seguito, l’immissione in camera di combustione. Questo circuito, detto anche “a freddo”, consente di aumentare il tasso di ricircolo tenendo sotto controllo temperatura e pressione in aspirazione.

EGR bassa pressione

Grazie a entrambi i sistemi viene quindi ridotto il quantitativo di ossigeno nel rapporto aria/gasolio abbassando di conseguenza le massime temperature raggiungibili in camera di combustione e la velocità di combustione così da ridurre infine la formazione di NOx. Gli ossidi d’azoto vengono però contrastati più efficacemente con l’EGR di bassa pressione rispetto all’EGR tradizionale che, contestualmente, permette di ottenere un superiore rendimento del motore dovuto alla combustione più efficiente, alla migliore risposta dell’intero turbocompressore e alla maggiore pressione nel cilindro specie ai carichi parziali.

Un terzo e ancor più efficace metodo è l’adozione dei catalizzatori o trappole per l’abbattimento degli NOx, strumenti ormai essenziali per poter rispettare le severissime norme anti-inquinamento come la Euro 6. Anche qui vanno però distinti due sistemi principali ben diversi tra loro: i catalizzatori ad accumulo di NOx (NSC), definiti anche trappole NOx , DeNOx o LNT (Lean NOx Trap), e i catalizzatori a riduzione di NOx, definiti SCR, che sfruttano l’additivo liquido AdBlue.

Trappola LNT VS catalizzatore SCR

Trappola LNT

La trappola LNT (Lean NOx Trap) altro non è che un catalizzatore ad accumulo di NOx che opera quindi in maniera discontinua nella trattazione degli ossidi di azoto. In pratica, l’idea è quella di intrappolare gli ossidi di azoto formando un composto chimico nell’interno del catalizzatore. Grazie, infatti, alla sua struttura monolitica gli ossidi di azoto vengono prima accumulati, poi ossidati e infine ridotti. Al suo interno troviamo nello specifico una trappola cosparsa di solfati di bario (siti di nitrati di bario) e una base di platino utilizzato come catalizzatore ossidante di NO e NO2. Durante l’accumulo (funzionamento del motore con miscela magra, lambda > 1) all’interno della trappola gli ossidi di azoto si combinano con l’ossido di bario andando a formare i nitrati di bario che rimangono attaccati alla superficie della matrice della trappola. L’NO presente viene prima ossidato in NO2 dall’azione catalitica del platino e poi accumulato come nitrato di metalli alcalini.

Questa procedura continua fino a quando la capacità di accumulo della trappola si è talmente ridotta da compromettere la generale efficienza di accumulo e conversione. A quel punto si innesca la necessità di rigenerare il filtro LNT perché intasato e per farlo si sposta il funzionamento del motore da lambda > 1 (miscela magra), durante la quale gli NOx erano immagazzinati a formare i nitrati, a lambda < 1 (miscela grassa), durante la quale gli NOx verranno ridotti a N2 e rilasciati. In questa fase (brevi intervalli di 2 secondi ogni 60 secondi di funzionamento motore) è presente una tale quantità di sostanze di riduzione (prodotti di parziale combustione CO, H2 e HC) in grado di fissare l’O2 eventualmente penetrato negli elementi di accumulo, produrre il rilascio degli NOx (trasformando i nitrati in carbonati) e, grazie all’azione catalitica del rodio, ridurre gli NOx rilasciati in N2. In pratica il combustibile assorbe l’ossigeno contenuto nel composto attaccato al nitrato di bario e allo scarico esce azoto semplice. Per ottenere il passaggio da lambda > 1 a lambda < 1 nei motori diesel di solito o si incrementa il ricircolo dei gas di scarico tramite la valvola EGR oppure si esegue una iniezione ritardata oppure ancora si attua uno strozzamento dell’aria in aspirazione.

Catalizzatore SCR

Il catalizzatore SCR (Selective Catalyst Reduction), a contrario della trappola LNT, adotta una conversione costante e continua degli NOx in N2. La riduzione catalitica selettiva si basa sul fatto che determinate sostanze in presenza di ossigeno sono in grado di ridurre selettivamente gli ossidi di azoto. Selettivamente significa che in questa situazione l’ossidazione delle sostanze avviene privilegiando l’ossigeno degli ossidi di azoto e non l’ossigeno molecolare presente in percentuale assai maggiore nei gas di scarico. Per funzionare il catalizzatore SCR necessita di un riducente chimico simile all’ammoniaca ma meno tossico. Tali caratteristiche sono state ritrovate nell’Urea o meglio in una soluzione di Urea (32,5%) e di acqua deionizzata (67,5%) denominata AdBlue. Questo additivo liquido viene iniettato nello scarico a monte del catalizzatore SCR dove si mischia con i gas di scarico per formare ammoniaca e CO2 per un processo di idrolisi e di termolisi.

Successivamente l’ammoniaca reagisce con l’ossigeno degli NOx tramite un processo di catalisi per portare gli NOx a N2. Infine, l’ammoniaca tramite un processo di ossidazione reagisce di nuovo con l’ossigeno degli NOx formando H2O e N. Questo processo però comporta l’introduzione di uno, a volte anche di due, ulteriori catalizzatori ossidanti. Non va dimenticato, infatti, che l’adozione di un catalizzatore ossidante a monte del catalizzatore SCR, in grado di ossidare gli NO in NO2, consente un funzionamento ottimale del catalizzatore SCR aumentando del 50% la trasformazione chimica degli NO2 in NOx. La stessa adozione di un catalizzatore ossidante, posto questa volta a valle del catalizzatore SCR, permette di ossidare l’eventuale ammoniaca infiltrata allo scarico in N2 e H2O evitando che questa possa uscire dallo scarico stesso.

Conclusioni

ACEA emission

Malgrado l’adozione di sistemi di post trattamento sempre più raffinati, permangono ancora delle difficoltà nel rispetto delle sempre più severe normative. Normative spesso falsate o legate a cicli di omologazione al limite del ridicolo che hanno però spinto gli stessi ingegneri a dover continuamente giostrarsi con una coperta troppo corta. Se da un lato, infatti, vi è la limitazione della CO2 che necessita la riduzione dei consumi (bruciando il combustibile in maniera meno efficiente o viaggiando con miscele magre), dall’altro lato vi è la limitazione degli NOx che necessita la riduzione delle temperature e delle pressioni del ciclo termodinamico (adottando miscele grasse e producendo inevitabilmente CO2, HC e Particolato).

Nonostante ciò nel settore automotive si sono comunque già fatti passi da gigante. Se nel 1995 la normativa europea per la sola CO2 imponeva un massimo di 186 g/km, per il 2021 tale limite è stato impostato a 95g/km, con una riduzione complessiva del 49%. Stesso discorso per gli NOx che, se nel 1992 la normativa imponeva un massimo di 0.97 g/km, nel 2014 il limite è stato fissato a 0,08 g/km. Infine, per il particolato si è passati dai 0,14 g/km nel 1991 agli 0,005 g/km del 2014. Una chiara dimostrazione di come l’automotive abbia ridotto il valore delle emissioni nocive ad un livello prossimo allo zero.

ACEA emission

Per questo motivo, seppur ben consapevoli dei danni causati alla salute da tutti gli inquinanti emessi da un processo di combustione, non possiamo che trovarci d’accordo con la stessa ACEA (European Automobile Manufacturers’ Association) che di recente ha dichiarato come non sia l’automobile o il trasporto leggero su gomma la vera e principale causa di inquinamento atmosferico. Fatta 100 l’emissione totale di anidride carbonica, quella imputabile ai trasporti è pari al 25% e di quest’ultima solo il 13% è appannaggio di auto e van. Inoltre, fatta 100% l’emissione totale di particelle inquinanti, solo il 20% è imputabile alle emissioni derivanti dal trasporto pubblico e privato su gomma.

Pensiamo che sia giunta l’ora di smetterla di accanirsi esclusivamente con i motori a combustione interna, vedendoli come unica fonte di inquinamento e costringendo i costruttori di automobili a fare carte false per rispettare normative anti-inquinamento sempre più stringenti e al tempo stesso ridicole. Imporre, infatti, restrizioni ulteriori ai moderni motori significherebbe elevare ulteriormente i costi di ricerca, progettazione e produzione a livelli così elevati da renderli del tutto spropositati rispetto ai benefici che si otterrebbero a livello pratico. A nostro modesto parere sarebbe meglio investire buona parte di queste risorse nell’abbattimento di fonti di inquinamento nettamente più importanti e pericolose come i processi industriali, i riscaldamenti, la produzione di energia elettrica da fonti non alternative o ecologiche e lo stesso trasporto aereo (importante produttore ed emettitore del Thermal NOx).

Catalizzatore SCR