Wat zijn uitlaatgassen en hoe ontstaan deze?

Uitlaatgassen zijn gassen die tijdens verbrandingsprocessen in verbrandingsmotoren ontstaan en via een uitlaat worden uitgestoten. Door het verbranden van de brandstof in de motor komen de uitlaatgassen vrij. Deze gassen kunnen niet meer worden gebruikt in de motor en worden daarom via de uitlaat van het voertuig verwijdert.

Uitlaatgassen behoren tot de emissie van een voertuig dat gebruik maakt van een verbrandingsmotor. In uitlaatgassen zitten verschillende stoffen zoals stikstofoxiden (NOx) , koolstofdioxide (CO2),  koolmonoxide (CO) en zwaveldioxide (SO2). Deze stoffen dragen bij aan de verzuring en daarnaast zorgen ze ook voor het broeikaseffect. Dit is vooral het geval bij koolstofdioxide (CO2) dat ook wel broeikasgas wordt genoemd. Verder bevinden zich in uitlaatgassen ook ander schadelijke stoffen zoals kleine roetdeeltjes en fijnstofdeeltjes.

Gevaar van uitlaatgassen
Uitlaatgassen behoren tot de grootste veroorzakers van luchtvervuiling daarom worden internationaal afspraken gemaakt over het reduceren van uitlaatgassen in de atmosfeer. Het probleem van de uitlaatgassen en het daaraan verbonden broeikaseffect is regelmatig het belangrijkste onderwerp op wereldwijde bijeenkomsten over milieu en duurzaamheid.

Verschillende steden in de wereld hebben te maken met smog die ontstaat door de uitlaatgassen van motorvoertuigen die in de steden rondrijden. Deze uitlaatgassen zorgen er voor dat mensen het benauwd krijgen en moeilijk kunnen ademhalen. Daarnaast zorgt de fijnstof en roet voor dichte ‘mist’ in gebieden waar de emissie van uitlaten onvoldoende weg kan komen.

Filteren van uitlaatgassen
Er worden verschillende maatregelen genomen om de schadelijke stoffen in uitlaatgassen te beperken. Sinds 1 januari 1993 dienen alle auto’s die rijden op benzine een katalysator te bevatten die koolwaterstoffen, koolmonoxide en stikstofoxiden omzetten in waterdamp, koolstofdioxide en stikstof. Omdat de werking van de katalysator via drie reacties gebeurd wordt ook wel gesproken over een driewegkatalysator. Ondanks deze verplichte technische voorziening in auto’s komt er nog steeds veel schadelijke emissie ten gevolge van uitlaatgassen in de atmosfeer.

Wat is een katalysator of driewegkatalysator?

De katalysator bevindt zich onder  de auto. Hier is de katalysator als element vlak na de motor ingebouwd in het uitlaatsysteem. Een katalysator is een systeem dat bestaat uit kostbare materialen en is in het uitlaatsysteem ingebouwd om giftige en schadelijke gassen uit de uitlaatgassen te verwijderen.

In feite zet de katalysator de schadelijke stoffen in de uitlaatgassen om in onschadelijke stoffen. Dit gebeurd doormiddel van een chemisch proces. Een katalysator kan alleen worden toegepast indien gebruik wordt gemaakt van loodvrije benzine als brandstof.

Katalysator verplicht
Autofabrikant Volvo bouwde als eerste deze katalysator in haar voertuigen in vanaf 1978. In de periode tussen 1980 en 2000 werden steeds meer auto’s uitgerust met een katalysator en werd de platina-rhodium katalysator steeds meer verplicht gesteld in Europa. Auto’s die rijden op benzine met een cilinderinhoud van twee liter of meer moeten sinds oktober 1989 verplicht worden uitgerust met een katalysator. Alle overige auto’s die een benzinemotor hebben moeten sinds 1 januari 1993 eveneens met een katalysator zijn uitgerust.

Waaruit bestaat een katalysator?
De katalysator bestaat uit een monolithische drager van cordieriet, dit is een magnesium-aluminium-silicaat. De monolithische drager is van hoogsmeltend keramisch materiaal vervaardigd en bevat een honingraatachtige celstructuur. De verschillende wanden van de cellen zijn bedekt met aluminiumoxide. De metalen die waarmee de katalysator is geïmpregneerd zijn onder andere palladium, rhodium en platina. De katalysator is geplaatst in een thermische isolatie. Daar omheen zit een roestvaststalen omhulsel.

Welke stoffen zet de katalysator om?
De uitstoot van een auto wordt ook wel emissie genoemd. De katalysator zet een aantal schadelijke stoffen in deze emissie om. De stoffen die omgezet worden zijn de volgende:

  • HC = koolwaterstoffen
  • CO = koolmonoxide
  • NOx = stikstofoxiden

Deze schadelijke stoffen worden door de katalysator omgezet in minder schadelijke stoffen. De stoffen die tijdens het proces in de katalysator ontstaan zijn:

  • H2O = dit is waterdamp en niet schadelijk voor de gezondheid.
  • CO2 = koolstofdioxide. Deze stof is niet direct schadelijk maar zorgt wel voor het broeikaseffect.
  • N2 = stikstof is niet schadelijk voor de gezondheid. Ongeveer 78 procent van de lucht die wij inademen bestaat uit dit gas.

Driewegkatalysator
De naam driewegkatalysator is afgeleid van de drie reacties die tijdens het katalytisch reinigen van uitlaatgassen door de katalysator worden uitgevoerd. Deze drie reacties zijn als volgt:

1. De eerste reactie is: 2 CO(g) + 2 NO(g) → N2(g) + 2 CO2(g)
2. De tweede reactie is: CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g)
3. De derde reactie is: 4 CxHy(g) + (4x+y) O2(g) → 2y H2O(g) + 4x CO2(g)

De bovenstaande reacties zijn de drie hoofdreacties van een katalysator. Naast deze hoofdreacties treden er in de katalysator nog een aantal nevenreacties op.  In het kort reduceert het rhodium NO en oxideert het platina CO en de koolwaterstoffen. De rhodium en platina kunnen worden vervangen  door palladium. De werking van de driewegkatalysator blijft hetzelfde.

Wat is emissie en imissie?

Het woord emissie wordt regelmatig gebruikt in de context van milieu en duurzaamheid. Emissie is in dat verband een verzamelnaam voor uitstoot of lozing van verontreinigende stoffen. Er zijn verschillende emissiebronnen. Deze bronnen die uitstoot van schadelijke stoffen veroorzaken kunnen zowel van particulieren als van bedrijven zijn. Emissie in de vorm van luchtvervuiling kan bijvoorbeeld plaatsvinden door de schoorsteen van een woning of door de uitstoot van de schoorsteen van een fabriek.

CO2 uitstoot
De hoeveelheid luchtvervuiling in kubieke meters verschilt per uitstootbron. Auto’s zorgen bijvoorbeeld voor CO2 uitstoot. CO2 is een schadelijke stof die in belangrijke mate verantwoordelijk is voor het opwarmen van de aarde.  De hoeveelheid CO2 die in de lucht wordt uitgestoten is afhankelijk van het soort  brandstof die de auto gebruikt. Daarnaast hebben auto’s een verschillend gewicht waardoor meer vermogen nodig is om de auto in beweging te brengen. Dit zorgt er voor dat de hoeveelheid brandstof ook per auto verschilt.

Verspreiding van luchtvervuiling
Ook de manier waarop de luchtverontreiniging wordt verspreid is afhankelijk van verschillende factoren. Hierbij kan bijvoorbeeld gekeken worden naar de windsnelheid en de windrichting. Daarnaast is de temperatuur van invloed en de turbulenties. Dit zijn echter natuurlijke factoren. De mens heeft ook invloed op de verspreiding van luchtvervuiling bijvoorbeeld door de hoogte van schoorstenen aan te passen en de snelheid van de uitstootgassen te reguleren.

Imissie en emissie
Na verloop van tijd komen de schadelijke stoffen op de leefhoogte terecht. De leefhoogte is anderhalve meter hoog vanaf de grond gemeten. Het is belangrijk dat de lucht op die hoogte zo schoon mogelijk is omdat veel mensen en dieren deze lucht inademen. De stoffen uit de lucht die op de leefhoogte gemeten worden vormen de imissie.

Emissiepatroon
De verhouding tussen de imissie en de emissie wordt ook wel emissiepatroon genoemd. De emissiepatronen kunnen verschillend zijn in een jaar. De tijd van het jaar kan bijvoorbeeld van invloed zijn, wordt er bijvoorbeeld in de zomer of in de winter een emissiemeting verricht. Ook de afkomst van de verontreiniging is van invloed op de meetresultaten. In het verkeer zorgen bewegelijke uitstootbronnen voor veel emissie. Deze emissie vindt dicht bij de grond plaats. De verhouding tot emissie en imissie is daardoor in verkeer is zeer groot.

Bij huizenverwarming is de verhouding tussen emissie en imissie redelijk groot omdat de schoorstenen van woningen verhoudingsgewijs laag zijn. Hierdoor komt de schadelijke emissie relatief snel op imissie hoogte.

Bij grote industriële bedrijven wordt de uitstoot vaak via lange schoorstenen in de lucht gebracht. Hierdoor komt de luchtverontreiniging minder snel op imissie niveau. De verhouding tussen emissie en imissie is hierdoor kleiner dan bij huisverwarmingen het geval is. Dit houdt echter niet in dat de luchtverontreiniging door industriële bedrijven lager is dan de verontreiniging van huizen. De CO2 uitstoot van industriële bedrijven is in de praktijk meestal juist vele malen groter dan de uitstoot van woningen. Dit komt omdat bedrijven veel meer kubieke meters uitstoten dan woningen.