Nivel 4 de la EPA y la industria de potencia eléctrica

EXPLICACIÓN DE LAS NORMAS DE EMISIONES PARA MOTORES DIÉSEL

El impulso actual hacia la mejora de la calidad del aire se origina en la Ley de Aire Limpio de 1970, que se sancionó unos meses después del primer Día de la Tierra. Desde ese momento, se dio más prioridad a la reducción de las emisiones de los motores de combustión interna. Primero, se identificaron los automóviles y, luego, en 1973, los camiones de obras.

En la Ley de Aire Limpio, con su modificación de 1990, se definieron normas de cumplimiento de calidad de aire para todo el país. La atención se centró en los contaminantes sujetos a criterios específicos: NOx, monóxido de carbono, dióxido de azufre, ozono, plomo y materia particulada. La EPA designó las áreas que no cumplían las Normas de Calidad de Aire Ambiental Nacionales (NAAQS, National Ambient Air Quality Standards) para los contaminantes anteriores y las clasificó áreas de incumplimiento. Las normativas de emisiones para esas áreas, que suelen establecer los gobiernos estatales o las comisiones de calidad del aire locales, pueden ser mucho más estrictas que las normas nacionales generales que emite la EPA. En 1994, la EPA emprendió medidas agresivas de largo plazo para reducir las emisiones de los nuevos motores diésel móviles no destinados a la carretera. Esta medida afectó los equipos móviles nuevos como máquinas de construcción y tractores agrícolas, así como equipos industriales tales como los grupos electrógenos diésel que se utilizan en la generación de energía eléctrica móvil. En esa época, la EPA adoptó el primer conjunto de normas de emisiones (nivel 1) correspondientes a todos los motores diésel móviles nuevos no destinados a la carretera de cualquier categoría de potencia, excepto los utilizados en locomotoras y embarcaciones náuticas. Estas regulaciones se establecieron en fases graduales por gama de potencia del motor entre los años 1996 y 2000, lo que redujo las emisiones de NOx en aproximadamente un 30 % con respecto a las concentraciones del nivel 0.

En 1998, la EPA adoptó normas de emisiones de nivel 2 más estrictas para el NOx, los hidrocarburos no quemados, el monóxido de carbono y la materia particulada emitida por motores diésel de vehículos nuevos no destinados a la carretera. Estas normas de emisiones de nivel 2 más estrictas se establecieron en fases graduales entre los años 2001 y 2006 para cualquier tamaño de motor. Las normas de nivel 3, que redujeron las emisiones de escape diésel a valores inferiores a los del nivel 2 para motores de 37 bkW a 560 bkW (de 50 bhp a 750 bhp), se implementaron durante el período de 2005/2006 a 2008.

En la Ley de Aire Limpio, también se dispuso una excepción para el estado de California, que le permitía fijar sus propios límites de emisiones para vehículos no destinados a la carretera, sujetos a la revisión y aprobación de la EPA de EE.UU. Estas normas, que define la Comisión de Recursos del Aire de California o CARB, suelen ser más restrictivas que las normas de la EPA de EE.UU. y tienen por objeto solucionar los significativos problemas de calidad del aire en el estado, en lugares como la cuenca de Los Angeles y el valle de San Joaquin. Otros estados pueden adoptar o elegir acatar las normas de California siempre que la EPA otorgue su aprobación. Los fabricantes de motores deben conocer y acatar las normas especiales de California, además de las normas de la EPA de EE.UU.

Normas correspondientes a los motores diésel fijos

A partir del 1 de enero del 2007, los motores diésel fijos nuevos debían cumplir las Nuevas Normas de Rendimiento de Fuente (NSPS, New Source Performance Standards) de Encendido de Compresión (CI, Compression Ignition) de la EPA, que incluyen los grupos electrógenos con combustible diésel. Las NSPS de CI, para la mayoría de las gamas de potencia del motor, incorporaron las normas para motores móviles no destinados a la carretera de la EPA con respecto a los contaminantes de escape regulados y sus valores de niveles asociados.

La mayoría de los motores que cumplen esta normativa están certificados de fábrica según los mismos niveles para motores de vehículos no destinados a la carretera de la EPA en el momento de su construcción. Por lo general, estos motores se certifican para el servicio fijo y no destinado a la carretera. Entre 2007 y 2010, la mayoría de los motores diésel fijos deben cumplir los niveles 2, 3 o 4, según la gama de potencia. A partir del 2011, los motores que no son para uso de emergencia superiores a 130 bkW (175 bhp) y de menos de 10 litros por cilindro deben cumplir las normas de emisiones de nivel 4.

La EPA también incluyó instrucciones para los motores existentes. Si es necesario reconstruir, reemplazar o reparar un motor o grupo electrógeno actual, y el costo supera el 50 % del precio de un motor nuevo equivalente o hay un aumento en la "capacidad de emisión", se aplica la normativa para motores fijos. Por ejemplo: si el motor se construyó antes del 1 de enero del 2007 y se reúnen las condiciones mencionadas antes, la unidad debe cumplir las emisiones de nivel 1 después de la reconstrucción, reparación o reparo. Si el motor se construyó el 1 de enero del 2007 o después, y se reúnen las condiciones mencionadas, el motor debe cumplir con el nivel de emisiones correspondiente vigente en el año de su fabricación.

Nivel 4 y la corriente eléctrica: un caso especial.

La normativa de emisiones de nivel 4 de la EPA de EE.UU. entró en vigencia para los motores inferiores a 37 bkW (aproximadamente 30 ekW o kilovatios eléctricos) en el 2008 y entrará en vigencia en el 2011 para los grupos electrógenos diésel con valores nominales de 130 bkW (aproximadamente entre 120 y 125 ekW) o más. Los grupos electrógenos que utilizan motores con valores nominales de 56 bkW a 129 bkW (aproximadamente entre 45 ekW y 120 ekW) se clasificarán como de nivel 4 en el 2012. Es decir, la mayoría de las clasificaciones de grupos electrógenos diésel tendrán que ser de nivel 4 para 2012. La normativa, que se aplica a las aplicaciones fijas y móviles no destinadas a la carretera, se divide en dos partes o períodos de "fase gradual" llamadas Tier 4 Interim y Tier 4 final, respectivamente. La fase inicial o provisional comienza en 2011-2012, mientras que los límites de emisiones más estrictos se introducen con el Tier 4 final en el período de 2013 a 2015. En la Figura 1, se muestra un resumen aproximado de las normativas dirigidas a aplicaciones de grupos electrógenos fijos y móviles no destinados a carreteras del 2009 en adelante. Cabe destacar que los grupos electrógenos de respaldo para uso de emergencia (que se definen a continuación en este artículo) están eximidos de los requisitos de nivel 4 y pueden ser de nivel 2 o 3, según la clasificación de potencia.

Según la normativa de nivel 4, las emisiones de escape de motores diésel deben ser mucho más bajas que los niveles anteriores. Por ejemplo, los productos de Tier 4 final de corriente eléctrica producen aproximadamente un 93 % menos de NOx y un 94 % menos de materia particulada (PM, Particulate Matter) en comparación con los productos de nivel 1. En algunos casos, es posible que los fabricantes deban incorporar distintos métodos de postratamiento para cumplir las normativas de nivel 4.

Las normativas de nivel 4 no solo corresponden a los motores diésel nuevos que se utilizan para generar potencia, sino también a las aplicaciones industriales, los paquetes de petróleo y casi todos, sino todos, los equipos de construcción con combustible diésel utilizados en las aplicaciones no destinadas a la carretera. Como las concentraciones de emisiones de nivel 4 son tan bajas, la EPA decidió que los grupos electrógenos de respaldo para uso de emergencia, que por sus características funcionan muy pocas horas al año, quedaran exentos de las normativas de nivel 4, incluido el postratamiento asociado. Asimismo, la EPA afirma que las aplicaciones de respaldo para uso de emergencia pueden utilizar productos de nivel actual, que no requieren postratamiento, como las ofertas actuales de niveles 2 y 3.

La clave de esta excepción es la frase "de respaldo para uso de emergencia". ¿Qué instalaciones se consideran "de respaldo para uso de emergencia"? Para despejar las dudas, utilicemos la siguiente definición basada en la interpretación de Caterpillar de la normativa de la EPA:

las instalaciones de respaldo para uso de emergencia son aquellas que funcionan solo ante la pérdida de una fuente de energía normal, como el servicio público o la red. Una situación de ejemplo sería la siguiente:

1. Se corta la energía de fuente normal.
2. El usuario arranca el grupo electrógeno de respaldo para suministrar energía a las cargas eléctricas.
3. Vuelve la energía de fuente normal.
4. El usuario apaga el grupo electrógeno de respaldo y suministra las cargas eléctricas desde la fuente normal.

En determinadas partes de la normativa de la EPA, se habilita a los usuarios 100 horas por año de operación para los requisitos de mantenimiento y ejercicio, incluso cuando se dispone de la fuente normal, por lo que las unidades siguen calificándose como instalaciones de respaldo para uso de emergencia de niveles 2 o 3. Tenga presente que las normativas estatales o locales pueden restringir más este permiso, por lo que es importante consultar a las comisiones de aire estatales y locales para conocer cuál es la interpretación más reciente del tema.

Si el grupo electrógeno de respaldo se usa para suministrar cargas de edificios y se dispone de la fuente normal, el grupo electrógeno debe ser de nivel 4. Ejemplos de esta situación son la reducción de demandas, la operación en paralelo con la red y la prevención de tormentas. En todas estas aplicaciones, se deben utilizar grupos electrógenos certificados de nivel 4. Los fabricantes ofrecerán grupos electrógenos de niveles 2, 3 y 4 a partir del 2011. La EPA exigirá etiquetados específicos de los motores en productos para uso de emergencia y que no sean de emergencia, a fin de evitar confusiones sobre la marcha.

En el 2011, es probable que el estado de California implemente normativas de emisiones que exijan el uso de postratamiento en todos los grupos electrógenos de respaldo, incluidas las unidades de emergencia. En consecuencia, se cree que la vasta mayoría de los grupos electrógenos de respaldo que se vendan en el estado de California a partir del 2011 serán de nivel 4.

Con este dato en mente, hagamos una lista de las aplicaciones que requerirán grupos electrógenos certificados de nivel 4 en el 2011:

1. Unidades de respaldo no destinadas al uso de emergencia
2. Aplicaciones de potencia principal
3. Administración de cargas/nivelación de demandas máximas
4. Unidades de alquiler de potencia eléctrica

Asimismo, hay normativas estatales y locales posibles que pueden impulsar el uso de grupos electrógenos de nivel 4 a partir del 2011. 

Es imprescindible que todas las personas asociadas con el negocio de grupos electrógenos conozcan estas cuestiones de nivel 4 específicas para considerar las aplicaciones futuras.

Normativas locales especiales

Al igual que California, algunas regiones y municipios establecen límites de emisiones para motores fijos mucho más estrictos que los niveles para motores diésel de la EPA. Entre ellas se encuentran zonas de Estados Unidos en las que no se cumple la normativa, como el sur de California, los estados de Nueva Inglaterra, Atlanta (Georgia) y Houston (Texas). El resultado es que los grupos electrógenos alimentados con diésel que se instalan en estas zonas, aunque estén certificados con el nivel adecuado de la EPA, pueden no cumplir los requisitos locales. A medida que la EPA de EE.UU. reduzca los niveles de las NAAQS en todo el país, más zonas pasarán al estado de incumplimiento y, por lo tanto, es probable que se apliquen más restricciones a las emisiones de los motores.

ENFOQUES PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE MOTORES DIÉSEL

Según el lugar y el contaminante de preocupación específico, se puede utilizar el siguiente postratamiento en los motores diésel en un esfuerzo por cumplir los códigos locales específicos: reducción catalítica selectiva (SCR, Selective Catalytic Reduction) para NOx. Los sistemas de SCR se utilizan para reducir las emisiones de NOx que emanan los motores mediante la inyección de un segundo fluido (generalmente urea) en el escape, justo delante del catalizador de SCR. La urea reacciona con el NOx en la presencia del catalizador de SCR y se convierte en gas nitrógeno (N2) y agua (H2O) (Figura 2).

Catalizador de oxidación para combustible diésel (DOC, Diesel Oxidation Catalyst) para monóxido de carbono (CO), hidrocarburos sin metano y materia particulada. Los DOC se instalan en la corriente de escape del motor para reducir las emisiones de hidrocarburos (HC), CO y, en menor medida, materia particulada (PM), a través de su conversión en dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y oxígeno (O2). (Figura 3A)

Los Filtros de Materia Particulada para Combustible Diésel (DPF, Diesel Particulate Filters) se utilizan para eliminar la materia particulada del escape de los motores diésel. Se instalan en la corriente de escape y se pueden combinar en el paquete con un silenciador. Los DPF pueden ser activos (requieren un proceso de regeneración) o pasivos (autogeneración). (Figura 3B)

EL FUTURO

Para cumplir con los requisitos de productos de corriente eléctrica del 2011 en adelante, Caterpillar trabaja para crear soluciones económicas que satisfagan las emisiones de Tier 4 Interim y Tier 4 final. Las soluciones técnicas puntuales incluirán lo último en tecnología e innovación de motores diésel y utilizarán la tecnología Caterpillar ACERT™ como base. Los productos de corriente eléctrica de nivel 4 Caterpillar resultantes contarán con el respaldo integral de la extensa red de distribuidores Caterpillar.