Techniek Euro 6, 7, 8: stikstof hete hangijzer

Ook na 2035 mogen er nog motorfietsen met verbrandingsmotor worden verkocht. We mogen wel verwachten dat die aan strengere emissienormen moeten voldoen. Vooral de uitstoot van stikstofoxiden zal naar beneden moeten. Hoe gaat dat er straks uitzien?

We hebben een stikstofprobleem. Althans, zo noemen we het. Want stikstof op zichzelf is helemaal geen probleem. 78% van de buitenlucht bestaat uit stikstof. Stikstof is ook helemaal niet gevaarlijk. Het is kleurloos, reukloos en niet giftig. Stikstofmoleculen reageren niet gemakkelijk met andere stoffen. Het heeft een smeltpunt van -210° Celsius en slaat dus niet neer. Het lost ook niet graag op in water, dus het regent ook niet in.

Techniek BMW Techday München: vier ontwikkelingen die veilig(er) motorrijden gaan waarborgen

Verzuren

Het wordt pas problematisch als stikstof met andere stoffen reageert, bijvoorbeeld tot stikstofoxiden of ammoniak. Het stikstofprobleem laat zich daarmee in twee segmenten scheiden: het verkeer en de industrie enerzijds, verantwoordelijk voor stikstofoxiden, de landbouw en de veeteelt anderzijds, verantwoordelijk voor ammoniak. Volgens de NOS is de uitstoot van stikstofoxiden de afgelopen 30 jaar met bijna drie kwart afgenomen door technische maatregelen. Dat kun je van ammoniak (NH₃) niet zeggen. De intensivering van de veeteelt heeft geleid tot een groei van de ammoniakuitstoot. Dat ontstaat uit mest – dus door veeteelt – en door kunstmest – dus uit landbouw. Kunstmest bevat vaak stikstofverbindingen, die ook in de bodem terecht komen. Daar kan het reageren tot salpeterzuur (HNO₃). De bodem verzuurt en bepaalde planten sterven uit, daarmee ook de biodiversiteit en de dieren die van die planten en insecten afhankelijk zijn. 40% van onze stikstofverbindingen komen volgens de website van de NOS uit landbouw en veeteelt, 11% uit het verkeer, 9% uit de industrie.

Protest

Nederland heeft 162 Natura 2000 gebieden benoemd. In 2001 is in Europese wetgeving geregeld dat landen verplicht zijn deze gebieden te beschermen. Deze gebieden hebben ernstig te lijden onder verzuring. Om dat te stoppen moet de uitstoot van stikstofverbindingen omlaag. Bij de industrie en het verkeer is al veel winst geboekt, maar is daardoor is er weinig meer te winnen. Het terugdringen van de veestapel is de enige andere optie, maar daar is – heel begrijpelijk – veel verzet tegen van de boeren. Dat verzet heeft er al toe geleid dat de maximum snelheid op de snelwegen overdag van 130 naar 100 km/uur is gegaan. Hoe langzamer voertuigen rijden, hoe minder heet de verbranding is en hoe minder NOx er ontstaat. Het verkeer stoot daardoor dus minder NOx uit. Fractioneel, maar de regering kon in elk geval weer even doen alsof ze het probleem hadden aangepakt. Uitstel van executie.

Emissienormen

Of de veestapel nu wel of niet krimpt, de maximum snelheid zal niet omhoog gaan en het ligt ook voor de hand dat de emissienormen voor motorfietsen in de toekomst nog strenger worden. In 2024 moet de Euro 5+ norm komen, maar ook daarna zal er nog meer paal en perk worden gesteld aan de emissies van schadelijke gassen. Ook als na 2035 verkochte motoren CO₂-neutraal moeten zijn, oftewel elektrisch of lopend op e-fuels. Een uit hernieuwbare energie gemaakte brandstof is immers nog steeds een koolwaterstof, met dezelfde uitstoot van schadelijke gassen tot gevolg.

Schadelijke gassen

Schadelijke gassen in een verbrandingsmotor ontstaan deels door onvolledige verbranding. Dan blijven er “onverbrande koolwaterstoffen” (ook HC’s genoemd) en roetdeeltjes over. Die veroorzaken ademhalingsproblemen en longkanker, terwijl ze ook de ozonlaag afbreken. Verbrandt benzine bijna volledig, maar net niet helemaal, dan ontstaat er koolmonoxide (CO) in plaats van kooldioxide (CO₂). Koolmonoxide is ook schadelijk voor de mens. Het hecht zich in het bloed aan hemoglobine, dat normaal zuurstof door het lichaam transporteert. En dat gebeurt dan niet meer.

Onvolledige verbranding kun je grotendeels voorkomen door iets te weinig benzine in te spuiten voor de hoeveelheid lucht die de motor heeft “ingeademd”. Er is dan een overschot aan zuurstof voor de verbranding. Maar dat heeft ook nadelen. Want in de lucht zit ook nog stikstof, afgekort N (van Nitrogen). En als er zuurstof over is, kan die stikstof bij hoge temperaturen ook verbranden tot stikstofmonoxide (NO) of stikstofdioxide (NO2₎, samengevat als NO_x. Dat zijn irriterende gassen, die longproblemen en zure regen veroorzaken. En dus bodemverzuring.

Techniek benzine: RON of MON?

Katalysator

Op dit moment is elke motor voorzien van een katalysator. Een katalysator is -chemisch gezien – een materiaal, dat een chemische reactie tussen stoffen veroorzaakt, zonder dat het daarbij zelf verloren gaat. Zo reageren koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen met zuurstof als ze in contact komen met palladium of platina. Voor die “naverbranding” moet die zuurstof dan natuurlijk wel aanwezig zijn, anders werkt het niet. Die kan afkomstig zijn van een secundair lucht-systeem of van stikstofoxiden. Die laatsten worden afgebroken als ze in contact komen met rhodium. Rhodium kan de zuurstof “afpakken” en tijdelijk vasthouden, om het later af te geven als er koolmonoxide langskomt. Om deze reacties te laten plaatsvinden, moeten de deeltjes in het uitlaatgas in contact komen met deze katalysatoren. Om al het uitlaatgas in contact te laten komen heb je dus veel oppervlak nodig. Bij auto’s is het katalysator daarom aangebracht op een soort poreuze steen, waar het uitlaatgas doorheen stroomt. Bij motorfietsen zit het materiaal op een opgerolde metalen golfplaat met perforaties.

1 van 2

Lambda-regeling

Met alleen een katalysator zijn we er niet: om het te laten werken moet de motor beurtelings stikstofoxiden en koolmonoxide/koolwaterstoffen produceren. Eerst moet hij stikstofoxiden maken, zodat die worden afgebroken en er zuurstof in de katalysator achterblijft. Dan mag het koolmonoxide komen om de zuurstof weer op te maken. Het mengsel moet dus om en om te arm en te rijk staan. Daarom meet het motormanagement van de motor met behulp vn een zuurstof- of Lambda-sensor in de uitlaat of er nog onverbrande zuurstof in het uitlaatgas zit. Is dat zo, dan is het mengsel arm en krijgt de motor meer brandstof. Is er geen zuurstof, dan is het mengsel rijk. Dan vermindert het motormanagement de ingespoten hoeveelheid brandstof. Zo schommelt de mengselverhouding altijd op en neer tussen net te arm en net te rijk en kan de driewegkatalysator zijn werk optimaal doen.

EGR

In de toekomst zullen er wellicht grotere katalysatoren in motorfietsen komen voor een nog grotere omzettingsgraad van schadelijke stoffen. Of ze daarmee genoeg stikstof afbreken is de vraag. Er zijn verschillende mogelijkheden om de stikstofuitstoot verder terug te dringen. Een daarvan is Exhaust Gas Recirculation of EGR. Via een doseerklep wordt uitlaatgas teruggeleid naar het inlaatspruitstuk. Het uitlaatgas wordt bij de verbranding mee opgewarmd. Omdat er meer “gas” met dezelfde energie wordt opgewarmd, is de eindtemperatuur lager, Daarnaast is er minder zuurstofoverschot. Samen zorgt dat voor minder NO_x -uitstoot. Ook ontstaat er een iets grotere druksprong. Een ander positief effect hiervan is dat er door het extra uitlaatgas minder vacuüm in het inlaatkanaal ontstaat, waardoor de motor minder arbeid hoeft te verrichten om lucht aan te zuigen. EGR zorgt dus niet alleen voor een lagere NO_x uitstoot, maar ook voor een lager brandstofverbruik. Een nadeel is dat de brandstof moeilijker zuurstofdeeltjes vindt, waardoor er meer roet wordt geproduceerd.

Directe injectie

Een andere manier om NOx-uitstoot terug te dringen is met directe brandstofinjectie. Als benzine niet in het inlaatspruitstuk, maar in de cilinder wordt ingespoten, zorgt het verdampen van de brandstof voor een temperatuurdaling en daarmee voor minder NOx-vorming. Nadeel is dat benzine minder tijd krijgt om te verdampen en dat benzinedruppeltjes dus onvolledig verbranden, met roetuitstoot tot gevolg. Moderne benzinemotoren produceren hierdoor vaak meer roet dan diesels met roetfilter. Steeds meer auto’s met benzinemotor krijgen daarom tegenwoordig ook roetfilters. Die kunnen we in de toekomst dus ook op motorfietsen verwachten.

SCR-katalysator

Een hele effectieve manier om stikstof uit het uitlaatgas te halen is met behulp van een extra “SCR”- katalysator (Selective Catalyst Reductor). Vlak voor deze katalysator wordt een ureum-houdende vloeistof – bekend als ad blue – in het uitlaatgas gespoten. Dat stroomt vervolgens in een soort honingraatstructuur waarop een katalysatormateriaal is aangebracht. Dat kan titanium-oxide (TiO₂), wolfraamoxide (WO₃), vanadium-oxide (V₂O₅) of een zeoliet zijn. De katalysator laat het ureum (CO(NH₂)₂) met water reageren tot CO₂ en ammoniak (NH₃), dat vervolgens zorgt voor ontbinding van de stikstofoxiden (NO_x) in water en stikstof (N₂).

1 van 2

2035

Dus, hoe ziet de motorfiets van de toekomst eruit? Het blijft koffiedik kijken, maar als we de autotechniek als leidraad mogen nemen dan kunnen we verwachten dat motorfietsen directe injectie, EGR en een SRC-katalysator met ad-blue-tankje krijgen. Dan blijft het de vraag of je er de milieuzones van de steden straks mee in mag.