CUMMINS ¿En qué se diferencian los sistemas de postratamiento entre los motores de hidrógeno y los de diésel?

A medida que las flotas trabajan para reducir las emisiones, es crucial comprender las diferencias en los sistemas de postratamiento para varios tipos de combustible. La adopción y el crecimiento de los motores de combustión interna de hidrógeno (ICE) es un paso importante, ya que el hidrógeno ICE ofrece una opción baja en emisiones y bajas emisiones de carbono para un sector de transporte más sostenible. Los mecanismos que limpian los gases de escape en estos motores son fundamentalmente los mismos que los del ICE diésel, con la diferencia clave de lo que hay en los gases de escape para empezar.

Este artículo profundiza en las diferencias clave entre los sistemas de postratamiento para motores diésel y de hidrógeno, y proporciona información esencial para las flotas que navegan por esta transición.

¿Cómo funciona el sistema de postratamiento en los motores diésel?
Los sistemas de postratamiento de motores de diésel desempeñan un papel crucial en la reducción de las emisiones de los motores de diésel. Estos sistemas actúan como un filtro para los gases de escape, asegurando que los contaminantes dañinos se conviertan en sustancias inofensivas antes de que se liberen al aire. Encontrará sistemas de postratamiento en todas las aplicaciones con motor diesel.

El postratamiento diésel utiliza tecnologías como filtros para partículas de diésel (DPF) y unidades de disminución catalítica selectiva (SCR) para filtrar los gases de escape. Los DPF capturan las partículas de hollín directamente del escape, mientras que las unidades de SCR utilizan una solución a base de urea para transformar los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua.

Curiosamente, no todas las aplicaciones requieren sistemas de postratamiento. Por ejemplo, los generadores de energía de emergencia en América del Norte están exentos debido a sus casos de uso específicos.
Esto es cierto, sin embargo, en los países industrializados, pero hay muchas regiones a nivel mundial que todavía están rezagadas en los requisitos de emisiones que impulsarían la necesidad de sistemas de postratamiento.

Al integrar tecnologías avanzadas de postratamiento, los motores de diésel pueden seguir ofreciendo la eficiencia y la potencia por las que son conocidos, al tiempo que reducen significativamente su huella ambiental. Es un equilibrio entre desempeño y responsabilidad que garantiza que los motores diésel puedan cumplir con las normas de emisiones actuales y contribuir a un medioambiente más limpio.

Novedades en el sistema de postratamiento de motores diésel
Los sistemas de postratamiento de motores de diésel han evolucionado significativamente a lo largo de los años, adaptándose a los estrictos estándares de emisiones en varias regiones. En América del Norte, los catalizadores de oxidación diésel (DOC) se han utilizado desde los años 1990, dependiendo del fabricante del motor. El papel del DOC ha sido iniciar el proceso químico que descompone los contaminantes en la corriente de escape, preparándolos para su tratamiento posterior.

En 2007, se introdujeron los filtros para partículas de diésel (DPF), lo que trajo un sistema más complejo que cambió de un estado pasivo a uno activo, y este último requirió una intervención periódica para quemar las partículas acumuladas. Otros avances llegaron en 2016 con la introducción de productos de un solo módulo que alojaban estos componentes en un diseño más compacto y liviano. Estos sistemas han seguido desarrollándose para cumplir con estándares de emisiones aún más estrictos, allanando el camino para sistemas de NOx (óxido de nitrógeno) ultrabajos con dosificación doble y calentadores para mejorar el rendimiento y el control.

El sistema de postratamiento diésel ha madurado en los mercados globales, unificándose en torno a tecnologías centrales que satisfacen las regulaciones ambientales y las necesidades del mercado. Como resultado, los caminos otrora divergentes de la tecnología de emisiones diésel en diferentes partes del mundo están convergiendo, creando un enfoque más estandarizado para reducir el impacto ambiental de los motores diésel.

¿Cómo funciona el sistema de postratamiento en el hidrógeno ICE?
Esto es lo que pasa con los motores de hidrógeno: idealmente, cuando quema hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), espera obtener solo vapor de agua y sin emisiones de NOx, un contaminante dañino. Pero eso es en un mundo ideal. Sin embargo, en condiciones reales, un H2 ICE de mezcla pobre produce NOx junto con vapor de agua. Esto sucede porque el aire, que contiene nitrógeno, se utiliza para la combustión. Aquí es donde entra en juego el sistema de disminución catalítica selectiva (SCR) para abordar los NOx en las emisiones del tubo de escape.

Pequeñas cantidades de hidrocarburos en el escape, debido al consumo de aceite del motor, pueden requerir un catalizador de oxidación en los motores de combustión interna de hidrógeno (ICE). Sin embargo, en algunas aplicaciones de hidrógeno, los niveles de hidrocarburos son tan bajos que el catalizador de deslizamiento de amoníaco al final del sistema de reducción catalítica selectiva puede ser suficiente para convertir las emisiones nocivas en inofensivas, eliminando la necesidad de un catalizador de oxidación adicional.

Aunque la combustión de hidrógeno no produce directamente CO2, el funcionamiento del sistema de reducción catalítica selectiva puede provocar emisiones menores de CO2. Curiosamente, algunas regiones, como Europa, todavía pueden clasificar los motores de combustión interna de hidrógeno (ICE) como vehículos de cero emisiones a pesar de esto. En América del Norte, los reguladores todavía están debatiendo esta clasificación. No obstante, incluso con estas emisiones mínimas, los ICE de hidrógeno logran una reducción significativa en CO2 en comparación con los motores diesel, alrededor del 90 por ciento.

Es por eso que el hidrógeno a menudo se conoce como tecnología "puente". Brinda la oportunidad de acercarse notablemente a cero emisiones de CO2, sirviendo como un trampolín, o puente, dependiendo de cómo lo vean los reguladores. Cabe señalar que los vehículos eléctricos con pila de combustible de hidrógeno (FCEV) suelen considerarse el objetivo a largo plazo y verdaderamente cero emisiones, pero su adopción conlleva mayores costos de inversión.

Los sistemas de postratamiento se convierten en un componente clave para los ICE H2 en esta fase de transición. Garantizan que los motores de hidrógeno puedan reducir significativamente las emisiones, lo que los convierte en una alternativa viable y más limpia en el mercado. La tecnología H2ICE está preparada para evolucionar con sistemas de postratamiento en la mezcla, los motores de hidrógeno pueden servir como un puente sólido hacia un futuro automotriz más ecológico.

Diferencia entre los sistemas de postratamiento diésel e hidrógeno
Los motores diésel producen CO2, NOx y material particulado (PM). Los métodos de postratamiento, como la recirculación de gases de escape (EGR), reducen las emisiones de NOx al reducir las temperaturas de la combustión. Otros métodos, como la disminución catalítica selectiva (SCR) y la reducción selectiva no catalítica (SNCR), también eliminan los NOx del escape diésel.

Aunque las emisiones de NOx en los motores de hidrógeno son como las del diésel, existen diferencias clave en el postratamiento. El combustible de hidrógeno no requiere un filtro de partículas para capturar el hollín, que es grande, costoso y necesita mantenimiento. En su lugar, se puede utilizar un catalizador de oxidación más simple. Los sistemas de postratamiento para el hielo diésel y de hidrógeno son fundamentalmente similares, con la reducción catalítica selectiva para el hielo de hidrógeno que utiliza el mismo líquido de escape diésel que los motores de diésel.

El hidrógeno, sin embargo, plantea desafíos únicos en el proceso de postratamiento. El contenido de agua en el escape y la reacción del hidrógeno con ciertos metales y soldaduras requieren el uso de materiales compatibles con el hidrógeno para mantener la integridad del sistema. Los motores de hidrógeno tienen un proceso de combustión más limpio, lo que elimina la necesidad de filtros para partículas de diésel (DPF) y simplifica el sistema de postratamiento.

Al centrarnos en la tecnología de mezcla pobre y el sistema de reducción catalítica selectiva, podemos controlar y reducir eficazmente las emisiones NOx en el hielo de hidrógeno sin la complejidad añadida de los sistemas de postratamiento diésel.

Avance en el control de emisiones
A medida que nos acercamos a la implementación de los 2027 estándares de emisiones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, se anticipa que las herramientas adicionales para la gestión térmica se generalicen, potencialmente en 2024. Estos avances apuntan a reducir aún más las emisiones de NOx, asegurando que los motores diésel puedan cumplir con los próximos estándares estrictos.

El enfoque del control de emisiones varía ligeramente entre Europa y América del Norte debido a los diferentes factores del mercado. En Europa, la atención se ha centrado tradicionalmente en el control de las emisiones de NOx, impulsado por un fuerte énfasis en el ahorro de combustible. Algunas regiones pueden requerir control del número de partículas usando filtros, mientras que otras pueden requerir filtración básica para cumplir con los límites de tamaño de partículas, ya que los filtros de partículas no son esenciales para capturar hollín como lo son en los motores diesel. En consecuencia, los sistemas de postratamiento de hidrógeno diferirán entre los mercados, y América del Norte empleará tecnología más avanzada para cumplir con las regulaciones de NOx ultrabajas. Sin embargo, con la introducción de las regulaciones Euro 6, la tecnología de control de emisiones se ha alineado más entre América del Norte y Europa.

Cummins está a la vanguardia para desarrollar tecnologías que se adapten tanto a los motores diésel como a los de hidrógeno. A medida que la tecnología de hidrógeno continúa madurando, la necesidad de sistemas de postratamiento complejos disminuirá, ofreciendo una alternativa más simple y respetuosa con el medio ambiente a los motores diesel tradicionales. Cummins mantiene su compromiso de liderar esta transición, desarrollando tecnologías de motores que satisfagan las demandas del futuro y minimicen el impacto ambiental.

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