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1. Introducción El cambio climático, de acuerdo al Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC), es la variación registrada del estado del clima, a través de registros estadísticos y que han persistido por un tiempo prolongado. El último reporte sobre cambio climático del IPCC, “La base de la ciencia física” (AR6), manifiesta que, de manera inequívoca, la influencia humana ha calentado la atmósfera, el océano y la tierra (IPCC, 2021). El cambio climático es el resultado de una externalidad asociada a la emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI) debido a las actividades humanas desde inicios de la era industrial. El conjunto de GEI está integrado por el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), los óxidos de nitrógeno (N2O), el Ozono (O3) y los clorofluorocarbonos (CFC), principalmente. Las emisiones de GEI provenientes del sector transporte representan una cantidad importante de estas en los diferentes países y va estrechamente ligado al grado de desarrollo de su economía. El crecimiento de los vehículos automotores ha traído consigo un aumento considerable en la generación de emisiones y en la tasa de crecimiento de las mismas, ya que su operación requiere principalmente el uso de energía fósil en sus diferentes modalidades. El sector del transporte contribuye con pequeñas cantidades de emisiones de CH4 y N2O de la combustión de combustibles y gases-F del aire acondicionado de los vehículos. Los Óxidos de Nitrógeno (NOx), además de su contribución al calentamiento global, son precursores de la destrucción del ozono estratosférico, contribuye a la lluvia acida y a la niebla fotoquímica (smog). El presente artículo analiza las ventajas de la utilización de urea automotriz como una alternativa para reducir NOx en el sector transporte.
2. Antecedentes Para hacer frente al cambio climático, en el sector autotransporte se han desarrollado e implementado diferentes estrategias para la reducción de Gases de Efecto Invernadero (GEI). La Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos (FHWA) las ha clasificado en tres categorías: estrategias para la administración de la demanda del transporte, estrategias para la gestión de los sistemas de transporte y las estrategias para la mejora de los vehículos. Las estrategias relacionadas con el vehículo han sido diversas y, durante su implementación, se han obtenido diferentes potenciales de mitigación/reducción de GEI. Algunas de las estrategias para el transporte de carga son: los programas de chatarrización de vehículos (renovación vehicular), reacondicionamiento de vehículos pesados (retrofit), eco-conducción (conducción técnica o ecodriving), campañas de regulación anti-ralentí, la implementación de aditamentos aerodinámicos en las unidades, etc. La Universidad del Norte de Carolina realizó un estudio acerca de las mejoras prácticas para la reducción de GEI en los vehículos para el transporte de carga, las cuales se resumen en la Tabla 1.
Tabla 1. Mejores prácticas y su potencial de mitigación de GEI en el autotransporte
Fuente: NCSU, (2007).
La práctica internacional ha mostrado que no existen estrategias individuales que permitan reducir las emisiones de GEI, sino por el contrario, el éxito radica en la implementación de estrategias combinadas, las cuales han reducido significativamente el consumo de energía fósil, encaminándose al cumplimiento de las metas nacionales de mitigación que cada país se ha fijado, y de manera adicional procurar obtener beneficios para las empresas transportistas.
3. Mejoras en el motor diésel El motor diésel es un invento de Rudolf Diésel en el año 1893, sin embargo, su fabricación en serie inició alrededor del año 1936. La principal ventaja del motor es que consume menos combustible que un motor a gasolina. Una de las principales desventajas son los gases que emite productos de la combustión, por lo que la Unión Europea ha implementado, desde 1992, normativas cada vez más restrictivas para controlar las emisiones emitidas a la atmosfera de partículas (PM), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos (HC) no quemados y monóxido de carbono (CO). La Tabla 2 muestra la evolución de las restricciones normativas denominadas “EURO”.
Tabla 2. Normas EURO sobre emisiones para motores diésel en vehículos pesados (g/Km)
Nota: * g/kWh (Humo en m-1) Fuente: Revista Autocrash (consultada 30-Ago-2022) https://www.revistaautocrash.com/que-son-las-normas-euro-y-por-que-evolucionan/ Las últimas normas EURO para motores diésel requieren mejoras en los motores, e incluso la incorporación de equipamiento auxiliar para la reducción de las emisiones, particularmente los NOx y las partículas PM.
4. La Urea Automotriz como alternativa para la reducción de NOx La “Urea Automotriz”, como se le denomina en México, tiene la capacidad de reducir hasta un 90% las emisiones de NOx de los motores a diésel. En Estados Unidos se le denomina “Fluido de Escape Diésel” (DEF), mientras que en Europa se le conoce como AdBlue®. La Urea Automotriz es un fluido acuoso de urea conformado por una solución clara de nitrógeno al 32.5% de urea de alta pureza y agua desmineralizada/desionizada. La síntesis de urea a nivel industrial (a base de hidrocarburos) se realiza a partir del cracking del gas para obtener amoníaco (NH3) líquido y anhídrido carbónico (CO2) gaseoso. Con dichos componentes mezclados se forma un producto intermedio llamado carbamato de amonio, el cual, a su vez, se deshidrata para formar urea. Existen otros procesos para la producción de la Urea: Stamicarbon (Utiliza el CO2 para recuperar el NH3 del efluente del reactor de forma continua) y Thermo-Urea (Se usan compresores centrífugos que recirculan el CO2, el NH3 y el vapor de agua al reactor). La Urea sirve, actualmente, como Urea Automotriz que es un reactor químico para la degradación del óxido nitroso (N2O) en los gases de escape generados básicamente por los motores de combustión interna. La Urea, dentro de los sistemas que operan con SCR (Reducción Catalítica Selectiva), funge como componente principal en el reactor químico (urea y agua destilada), posibilitando una disminución importante en las emisiones generadas por los gases de escape de los motores de combustión interna, móviles y estacionarios. En el país se cuenta con la certificación exclusiva NMX-D316-IMNC avalada por Instituto Mexicano de Normalización y Certificación que asegura la calidad del producto. La concentración adecuada del producto se encuentra entre 32.5% de urea de alta pureza y 67.5% agua.
5. ¿Cómo funciona la Urea Automotriz en el proceso de combustión? Los óxidos de nitrógeno se forman cuando el nitrógeno del aire reacciona con el oxígeno durante el proceso de combustión. En los motores diésel, las emisiones son más altas debido al exceso de aire durante el proceso de combustión. La tecnología desarrollada para vehículos y camiones permiten incorporar la Urea Automotriz para mejorar la eficiencia en los sistemas de purificación de los gases en el escape. De acuerdo al sitio web “car and driver”, el flujo de los gases de escape en los dos tramos del colector, situados en la parte exterior de las bancadas de cilindros, converge detrás del motor justo delante del mamparo ignífugo, donde se ubica el turbocompresor, después se coloca un catalizador de oxidación (NSC) seguido de un filtro de partículas (SPDF) con función SCR. El catalizador de oxidación NSC cercano al motor puede almacenar los óxidos de nitrógeno (NOx) de forma temporal hasta que se inicia la etapa de regeneración; además, el catalizador oxida los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono, convirtiéndolos en dióxido de carbono y vapor de agua, para lo cual utiliza las moléculas de oxígeno de los NOx almacenados temporalmente. La segunda etapa consiste en inyectar la solución acuosa de urea en el sistema de escape en dos puntos donde existen diferencias de temperatura, utilizando un módulo de dosificación en cada punto. El proceso químico de termólisis de la urea que se produce en el interior del sistema lo convierte en amoníaco, el cual que reacciona con los óxidos de nitrógeno que aún no han sido reducidos. Lo hace tanto en el primer filtro de partículas cercano al motor como en el segundo catalizador SCR. Esta reacción da como resultado agua y nitrógeno elemental, un gas que representa casi el 80% de la composición de la atmósfera terrestre. La Figura 1 muestra el esquema de dosificación doble para un vehículo Audi.
Figura 1. Sistema de doble dosificación con Urea Automotriz
6. Conclusiones Este nuevo sistema implementado para vehículo ligeros y pesados de diésel, con base en la dosificación de la Urea Automotriz, permite convertir más del 90% de los óxidos de nitrógeno en agua y nitrógeno elemental. Su funcionamiento dentro de las unidades motrices permite tener un adecuado desempeño en un rango amplio de temperaturas, por lo que permite cumplir adecuadamente las normativas de emisiones. En México, aunque ya se comercializa la Urea Automotriz para su uso en el transporte de carga, no se tienen datos de cuántas unidades cuentan con este dispositivo o que cumplan con la normativa Euro VI, así como también existe desconocimiento de los puntos y volúmenes de venta en el país. Se estima que en el país hay al menos 10 fabricantes de Urea Automotriz. La NOM-044-SEMARNAT-2017, que establece los límites máximos permisibles de emisión contaminantes provenientes del escape de motores nuevos que utilizan diésel como combustible con un peso bruto vehicular mayor a 3,857 kilogramos (vehículos de carga de mercancía y pasaje), que entró en vigor en 2019, indica que todas las unidades que se fabriquen y comercialicen en México tendrán que incluir un sistema de reducción de gases contaminantes (SCR). Se tiene que tener especial cuidado con la Urea Automotriz en relación a su calidad, ya que el catalizador es muy sensible a las impurezas, por lo que puede dañarlo, y por lo tanto tener costos altos de reparación.
7. Referencias Federal Highway Administration. (2005). Assessing the effects of freight movement on air quality at the national and regional level. Washington, DC. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press. Patente WO2017009498A2. (2017). Procedimiento para la producción de urea orgánica así como urea orgánica y AUS32 obtenidas por este procedimiento. Páginas web consultadas: https://dieselinformation.aecc.eu/es/cual-es-la-normativa-para-los-vehiculos-diesel-y-como-se-aplica/ (consultada 30-Ago-2022) https://www.noxguard.mx/que-diferencia-hay-entre-el-def-el-adblue-y-la-urea-automotriz-noxguard/ (consultada 30-Ago-2022) https://www.caranddriver.com/es/coches/planeta-motor/a34769279/audi-diesel-nueva-generacion-motores/ (consultada 30-Ago-2022) https://www.ingenieriaquimica.net/articulos/366-urea-procesos-de-obtencion (consultada 30-Ago-2022) https://patents.google.com/patent/WO2017009498A2/es (consultada 30-Ago-2022) https://www.tyt.com.mx/nota/def-como-entender-su-uso (consultada 30-Ago-2022)
MENDOZA Juan Fernando GARCÍA Alonso GRADILLA Luz Angélica |
