La mirada del mendigo

4 septiembre 2017

Contaminación por partículas en motores Diesel y gasolina

Filed under: automoción — Mendigo @ 13:40

La sabiduría convencional, dictada por los intereses de la industria, ya ha dictado sentencia: todo el mundo sabe que un motor Diesel es más contaminante que un gasolina. De hecho, el colmo del conductor concienciado es comprarse un híbrido en tanto en cuanto no llegan los eléctricos, que será ya el paraíso terrenal y el advenimiento del Mesías (me refiero, claro está, a Elon Musk).

Los más grandes errores parten de dar por supuestos los propios prejuicios, y desarrollar toda un edificio argumental con el mismo rigor científico que un tratado de teología: cero. En este espacio procuramos evitar los simplismos y desterrar los prejuicios; ya hemos tratado de nucleares y fotovoltaicas (el totem del ecoloanalfabetismo y su Behemot) y ahora vamos a tratar de analizar la cuestión de la contaminación entre los dos tipos de motores térmicos alternativos, los MEC (motores de encendido por compresión, ciclo Diesel) y los MEP (motores de encendido provocado, que pueden funcionar con gasolina, pero también con LPG o CNG, LNG… según ciclo Otto o Atkinson) a través de un modesto metaestudio que recoja la evidencia científica disponible.

Nos centraremos en esta ocasión en la contaminación por hidrocarburos, resumiendo el resto de contaminantes fugazmente:

CO2: es un contaminante climático (contribuye al efecto invernadero), siendo inocuo para los seres vivos. Podemos aproximar que es directamente proporcional al consumo del vehículo, así que la estrategia para reducirlos es la misma (menor peso, superficie frontal y motores más eficientes). En este apartado el Diesel es menos contaminante, al ser termodinámicamente más eficiente (por supuesto, ceteris paribus, es decir, considero motores de la misma potencia y nivel tecnológico moviendo el mismo vehículo).

Recientemente, la industria alemana del automóvil le ha colado un gol a la sociedad europea, logrando que el futuro límite de emisiones de CO2 esté referido a la masa del vehículo. Pero es precisamente la masa, directamente relacionada con el volumen, los principales factores que deberían ser corregidos para obtener menores consumos y emisiones de CO2 (y de todos los demás contaminantes). Gracias a ello, podremos ver un mostrenco de dos toneladas presumir de ecológico sobre un utilitario que consume y contamina la mitad. Absurdo y aberrante.

CO: cuando una combustión es imperfecta (escasez de comburente, oxígeno), se forma éste en vez del anterior. Muy tóxico para los humanos, por su capacidad para alterar la hemoglobina (molécula que cumple la función de correa de transmisión del oxígeno en el torrente sanguíneo). Los Diesel funcionan en exceso de oxígeno, así que es más propia de los gasolina (especialmente en el arranque en frío, en que se usan dosados por encima del estequiométrico). Muy importante revisar el funcionamiento de la sonda lambda (controla el parámetro λ, es decir, la proporción de oxígeno molecular en los gases de escape), que es la forma que tiene el motor de enterarse y corregir el dosado (la proporción combustible/comburente de la mezcla).

NOx: Son gases irritantes de las vías respiratorias que, además, contribuye al fenómeno conocido como lluvia ácida (en combinación con el vapor de agua forman ácido nítrico y nitroso). Se forman en condiciones de gran presión y temperatura, y por eso son más propias del ciclo Diesel. Para evitar su formación se emplea la válvula EGR de la que hablamos en otra ocasión, además de reductores catalíticos tipo SCR (con adición de urea) o LNT (más caros, pero sin necesidad de urea) que convierten los NOx en nitrógeno molecular y agua.

Y en lo subsiguiente, vamos a centrarnos en las emisiones más peligrosas: las partículas en suspensión (PM), provenientes de una combustión imperfecta, parcial, del combustible. Especialmente peligrosas son las PM2.5 (partículas menores de 2,5 μm) por su capacidad para traspasar la pared celular en los alvéolos e incorporarse al torrente sanguíneo. Son peligrosas porque dentro del coctail de cadenas de hidrocarburos a medio quemar se encuentran un tipo muy especial: los bencénicos o PAH, que en vez de cadenas lineales forman moléculas anulares resonantes (el benceno) que, a su vez, se agrupan para formar moléculas complejas como el antraceno, el fenantreno o el pireno.

Me quedo con esta última molécula, el pireno, porque en su familia está una de las sustancias carcinógenas más conocidas y ampliamente estudiadas, muy familiar en los pulmones de los fumadores: el benzo(a)pireno. No es ni mucho menos el único PAH con potencial mutagénico (sus derivados nitrogenados, los nitro-PAH o N-PAH son aún más peligrosos), pero se suele usar al BaP como marcador del conjunto de los PAH por su alta correlación en diferentes circunstancias.

En principio, los motores Diesel son más susceptibles de producir este tipo de compuestos ya que el combustible utilizado, el gasóleo, es menos volátil que la gasolina. Por lo tanto, aún inyectándolo a las altísimas presiones que se estilan hoy en día, no se logra una vaporización y mezcla tan perfecta con el comburente (aire), lo que origina que algunas cadenas no acaben de oxidarse, (esto es, quemarse) y salgan de la cámara de combustión hacia el escape. Como en el resto de los contaminantes, que sea más propio de un ciclo en concreto, no quiere decir que sea un problema ausente en el otro; en este caso, también en los motores alimentados con gasolina existe una emisión de partículas. Especialmente en los motores de inyección directa, en los que se trabaja en exceso de aire (como en los Diesel) y el dosado estequiométrico sólo existe en el interior de la nube de inyección (mezcla estratificada), siendo el resto aire. Sin embargo, aún no se ha logrado que la mezcla en esta nube sea perfecta, y hay zonas de esa nube con escasez de oxígeno que no permite la combustión completa de la mezcla.

Como hemos dicho, las PM o partículas en suspensión (lo que en castellano castizo se llama hollín) se derivan de una mala calidad de combustión, que no consigue quemar todas las cadenas de hidrocarburos de las que está compuesto el combustible. Sin embargo, sabemos que la válvula EGR tiene por objeto empeorar esta combustión adrede, para conseguir combustiones menos energéticas que reduzcan la temperatura en la cámara (y, por lo tanto, se forme menos NOx). Pero combustión de peor calidad, además de un mayor consumo de combustible (y, por lo tanto, emisiones de CO2), es de esperar que también produzcan mayor cantidad de partículas. Hasta ahora era una suposición que tenía yo en el cajón de las hipótesis, pero he encontrado un estudio que confirma mis sospechas: Efectivamente, vemos (pg.753) que a mayor tasa de recirculación, aumenta enormemente la emisión de PM. Y la EGR precisamente está abierta en el tipo de conducción que se hace en ciudad. No acabo de ver yo la lógica en que, para reducir la emisión de un gas irritante, se aumente la emisión de partículas cancerígenas. Es lo que tiene cuando la sesera del legislador no da para más que para estudiar Derecho, huyendo de las matemáticas y la física como vampiro del ajo.

Por otra parte, a mayor régimen, menor tiempo disponible para que el frente de llama recorra todo el volumen comprimido, y puede abrirse la válvula de escape cuando aún no ha terminado la combustión de toda la mezcla, terminando de mala manera en el colector. Incluso puede darse el caso que parte de la mezcla fresca se vaya directamente por una válvula de escape que aún no ha terminado de cerrar (cruce de válvulas).

En los MEP (motores de chispa, que inflaman la mezcla con una bujía) se podrían cortar de raíz las emisiones de partículas sustituyendo la gasolina por combustible que ya están, en condiciones ambientales, en fase gaseosa: LPG (una mezcla de propano, butano y pentano, básicamente) o CNG/LNG (metano). ¿Por qué no nos decantamos por ellos, entonces? Además de los problemas de almacenar un gas (alta densidad energética másica, pero baja volumétrica a no ser que lo sometamos a licuefacción, proceso en el que se desperdicia mucha energía), aumentan las emisiones de NOx (especialmente con metano, es una combustión muy energética).

NOTA: No perdamos la perspectiva, una persona del rural puede estar más expuesto a la inhalación de PAH que el habitante de una gran urbe, debido a un artefacto que muchos conciben como el colmo de la ecología y de la autenticidad: la cocina o estufa de leña (cómo se puede llamar ecológico a talar y quemar los cada vez más escasos pies de árboles autóctonos es algo que se me escapa).

De igual forma, las contaminantes calderas de gasóleo de calefacción (más pesado que el de automoción y, por lo tanto, con una combustión más sucia) aportan más partículas al aire de las ciudades que los nuevos vehículos, y lo mismo se puede decir de las calderas de gas natural y sus emisiones de NOx. Un empeño eficaz por mejorar la calidad del aire en las ciudades pasa por un esfuerzo conjunto y parejo en todas las fuentes de emisión, sin obnubilarse en una en concreto y olvidándose del resto.

Volviendo a la automoción, para impedir que estas peligrosas partículas sean emitidas a la atmósfera, la normativa Euro V (coches vendidos a partir del 2009) obligó a los Diesel a montar un filtro antipartículas (el conocido FAP o DPF). La cuestión ahora estriba en qué tipo de vehículo (actualmente a la venta) emite menos PM, si uno a gasolina (sin filtro, aunque ya hay marcas que se plantean incluirlo también en los gasolina) o a gasóleo (con DPF, forzosamente obligatorio para pasar el límite de 5 mg/km que impone la Euro VI.

Vamos a acudir a la literatura científica para intentar dar una respuesta fundamentada a ese legítimo interrogante.

En realidad, me sorprende la poca cantidad y variedad de artículos que tratan de un tema tan importante, y de enorme actualidad. Sin datos, concebir políticas o legislar es tan riguroso como adivinar el futuro por los auspicios del vuelo de las aves o el color de sus vísceras. Estos son los que he encontrado, no tengo ni que decir de que aportéis otras referencias que conozcáis (disculpad que omita los autores en un afán de brevedad, que esto no deja de ser la entrada de un blog).

El ya mencionado en el que se discute (entre otras cosas) la emisión de partículas en función de la apertura de la válvula EGR:
Signature size distributions for diesel and gasoline engine exhaust particulate matter

Otro estudio, aún del 2006, en el que ya se apunta la clara reducción de emisiones de PM al añadir el DPF (un 99% de carbón y un 90% de compuestos orgánicos):
Physicochemical and redox characteristics of particulate matter (PM) emitted from gasoline and diesel passenger cars
Por cierto, en él se apunta a que parte de los PAH registrados en los gasolina, pueden provenir del aceite de lubricación que pasa a la cámara de combustión. También interesantes diferencias en la eficiencia de la reducción según el peso molecular de la sustancia.

Éste, mucho más reciente, discute un punto que realmente me ha sorprendido: la influencia del combustible (gasolina o gasóleo) en las emisiones de PAH.
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Particles Emitted from the Diesel and Gasoline Engines
Las autoras usan combustibles comerciales de varias enseñas disponibles en Polonia, obteniendo diferencias muy notables entre ellos. Repostar en una u otra gasolinera dispararía la contaminación de ciertas partículas x20. Evidentemente, aquí hay campo en el que legislar.

Otro estudio de una investigadora polaca, que pone el acento en el estado de mantenimiento del vehículo.
Emission Rates and Comparative Chemical Composition from Selected In-Use Diesel and Gasoline-Fueled Vehicles
Como era de esperar, un vehículo mal mantenido, que tenga los inyectores fuera de punto o que consuma aceite por los segmentos o las guías de válvula, dispara las emisiones de PAH.

Este estudio ya lo enlacé hablando de la EGR, es del que saco el infográfico de la cabecera y supone un bofetón de realidad para los que pretenden la demonización del Diesel y la sacralización de los híbridos como alternativa “ecológica”.
Soot particles from GDI engines
Añado también la presentación usada en una conferencia por la coautora, María Muñoz:
PAH and Nitro-PAH emissions from GDI vehicles
Y es que los motores de gasolina de inyección directa (GDI) son cada vez más populares con al moda del downsizing, y frecuentemente montados en configuraciones híbridas.

El estudio es contundente: un gasolina de inyección directa actual (Euro VI) emite diez veces más sustancias cancerígenas que un Diesel posterior al 2009 (tiene que cumplir la Euro V y, por lo tanto, monta un DPF).

Y aquí viene la bomba, un estudio de reciente publicación en la revista Nature (una de las publicaciones científicas más prestigiosas):
Gasoline cars produce more carbonaceous particulate matter than modern filter-equipped diesel cars
Es notable que en este estudio desaparece la precisión de GDI, y aunque los vehículos analizados han sido anonimizados (G1, G2, D1…11 gasolina y 6 de gasóleo) es de suponer que será una muestra representativa de gasolina modernos de inyección directa e indirecta. Y en él se concluye que los vehículos de gasolina presentan unas emisiones de PM y PAH (ar.HC o aromatic hidrocarbons, Fig.2b) que los Diesel (todos ellos posteriores a la Euro V). Las cosas se vuelven peores para los gasolina según baja la temperatura ambiental (deficiente vaporización de la gasolina y, por lo tanto, peor calidad de la mezcla).

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CONCLUSIONES:

– Quien afirme que un Diesel actual contamina más que un gasolina es un asno. Probablemente también lo sea quien afirme lo contrario. Quizá lo más acertado sea decir que motores de gasolina y gasóleo contaminan diferente. Por lo demás, existen un cúmulo de variables (tipo de contaminante, modelo en concreto, ciclo de conducción, conducciones ambientales, combustible empleado, estado del vehículo…) que impiden realizar afirmaciones categóricas y generalistas a todo aquel que tenga su palabra en alguna estima.

– La pretensión de que un vehículo híbrido es más “ecológico” o menos contaminante es un mero truco publicitario. De hecho, los datos apuntan a que un híbrido (motor térmico de gasolina) emite tantas partículas cancerígenas como varios Diesel (con DPF, es decir, posteriores a 2009) juntos. Habida cuenta que el único medio en el que es económicamente ventajoso el sobrecoste de un híbrido es el urbano, debería ser descartado en todos los escenarios (al menos hasta que no incorpore un filtro antipartículas): en ciudad contamina más que un Diesel, y en carretera consume más (y contamina aún más, aunque en espacios abiertos es menos importante).

– Faltan datos. En un tema de tanta importancia, la cantidad y calidad de los estudios es asombrosamente limitada. Por ejemplo, la mayor parte de los estudios que os he referido realiza la toma de datos en ciclos de homologación (el NEDC, en la mayoría); como ya comenté a cuenta del VWGate, de un estudio en condiciones irreales sólo se pueden extraer conclusiones inútiles. Esto es especialmente relevante en términos de emisiones, porque es precisamente en transitorios (aceleraciones y reducciones) cuando es más probable que se disparen las mediciones. En el mundo real hay pendientes y acelerones donde la masa del vehículo es determinante en las emisiones, viento en contra, ciclos de regeneración de un DPF colmatado, uso del aire acondicionado, condiciones atmosféricas diversas, kilometraje y estado del vehículo… y todo eso se deja de analizar usando los ridículos ciclos de homologación con unidades nuevas amañados para la ocasión (que, en el caso de los híbridos, al permitir iniciar el ciclo con las baterías totalmente cargadas, ofrecen resultados especialmente absurdos).

Habría que ensayar unidades aleatorias ya rodadas (los catalizadores y filtros sólo son nuevos cuando el coche sale del concesionario), en condiciones de circulación reales. Existe estadística lo suficientemente sólida para hacer comparaciones de datos no homogéneos y darles validez legal. Hacerlo sistemáticamente de cada modelo comercializado, y en aquellos que se detecten problemas recurrentes, suspender su homologación hasta que no sean corregidos. Esto es lo serio si realmente buscamos mejorar la calidad del aire en el medio urbano, la normativa actual es una completa payasada dictada por la industria para salir bien en la foto, pintar de verde sus productos y justificar sus abultados precios.

– Y ya en otro orden de cosas, me parece preocupante la capacidad de analfabetos científicos (peluqueros, parlamentarios, verduleras, periodistas…) de promover prejuicios en la sociedad. Es notable que, por ejemplo, se encomiende la tarea de cambiar el modelo energético de la sexta mayor economía del mundo a un botarate que no tiene ni siquiera nivel para comentar en este blog (dio por terminados sus estudios en el instituto). Si se puede ser artista sin saber coger un pincel, por qué no ministro con un nivel educativo inferior a la media de la población. Lo importante es tener mucha verborrea y poca vergüenza.

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