Emisiones de Carbono Negro desde Transporte Urbano de Diésel: Caso de Estudio Transporte Urbano Universidad en Ecuador

El carbono negro (CN), material particulado superfino, es el resultado de la combustión incompleta de diésel, biocombustibles y biomasa y, forma parte de los contaminantes que contribuyen al calentamiento global. Se diferencia de los otros gases de efecto invernadero por producir impactos locales al tener un tiempo de vida de ~6.1 días frente el del CO2 en ~100 años; además, el potencial de calentamiento global (GWP) del CN es 460 veces mayor que el de CO2: Este alto poder de calentamiento hace que la reducción de las emisiones de CN se traduzcan en un decrecimiento acelerado de la curva de calentamiento global. En Guayaquil, Ecuador, mayoritariamente, el transporte público usa diésel como combustible, por lo que se estima haya emisiones importantes de CN. En esta investigación se estiman las emisiones de CN desde la flota de transporte urbano de la Escuela Superior Politécnica de Litoral, haciendo uso del Modelo Move de la USEPA y considerando la edad del parque automotor, calidad del diésel, tecnología de motor, condiciones del tipo de carretera, distancia recorrida y las condiciones meteorológicas locales. Una vez obtenidas las emisiones de CN y analizadas las condiciones particulares del caso de estudio, se determinó que para reducir las emisiones de carbono negro es más importante aumentar el contenido de biodiesel de la mezcla de diésel que disminuir la concentración de azufre.
Tema secundario: 
Autor principal: 
Gladys
Rincón Polo
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL), Facultad de Ingeniería Marítima, Ciencias Biológicas, Oceánicas y Recursos Naturales
Ecuador
Coautores: 
Ricardo
Seris
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL), Maestría de Cambio Climático
Ecuador
Alejandro
Chanaba
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL), Facultad de Ingeniería Marítima, Ciencias Biológicas, Oceánicas y Recursos Naturales
Ecuador
Giobertti
Morantes
Universidad Simon Bolivar
Venezuela
Introducción: 

El carbono negro (CN) se refiere al material particulado con tamaño inferior a una micra y forma parte del material particulado fino (PM2.5). Es un contaminante atmosférico emitido, principalmente, como resultado de la combustión incompleta, generalmente es causada por una baja relación entre el aire y el combustible en el motor, esta condición es común cuando recién se enciende el vehículo que opera a bajas temperaturas, en vehículos antiguos o sin mantenimiento del motor, en condiciones de altitud y cuando se usa combustibles de motor como el diésel, cuyas partículas emitidas contienen 41% de CN (Burtscher, 2005).

El CN forma parte de los contaminantes que contribuyen al calentamiento global y, se diferencia de los otros gases de efecto invernadero (GEI) por tener un tiempo de vida de ~6.1 días frente a los ~100 años de permanencia del CO2, y por lo tanto, los efectos del CN al calentamiento global son locales. El CN para un horizonte de tiempo de 100 años, posee un potencial de calentamiento global (GWP, Global-warming potential, por sus siglas en inglés) 460 veces mayor que el del CO2, lo cual hace prever que una reducción de emisiones de este contaminante se traduzca en un decrecimiento acelerado en la curva del calentamiento global actual (PNUMA, 2013).

Un inventario permite conocer las fuentes emisoras de contaminantes y estima la cantidad de contaminantes que emite cada una de ellas (SEMARNAT, 2016).  El inventario nacional de GEI para Ecuador es el resultado de la estimación de emisión derivadas de las fuentes y absorciones por sumideros de estos gases a nivel nacional. El inventario para el 2012 contempla al CO2 pero no incluye al CN. Las emisiones nacionales para ese año se estimaron en 80.627,16 Gg de CO2eq, con un aporte de 46,3% del sector energía. La categoría transporte ocupa el primer lugar de las emisiones del sector energía con 45,16% de las mismas (MAE, 2017).

El dióxido de carbono equivalente (CO2eq) es usado para describir los diferentes gases de efecto invernadero en una unidad métrica común: para cualquier cantidad y tipo de GEI, CO2equiv significa la cantidad de CO2 que tendría el equivalente efecto invernadero. El GWP es utilizado para medir la capacidad que tienen diferentes gases de efecto invernadero en la retención del calor en la atmósfera. El CO2 es la base para todos los cálculos y su GWP es medido en 1. Los gases se convierten en CO2equiv aplicando el GWP (IPCC, 2014).

El modelo MOtor Vehicule Emission Simulator (MOVES, en sus siglas en inglés) de la US EPA (United Stated Environmental Protection Agency) permite simular las emisiones desde fuentes móviles de contaminantes atmosféricos de criterio, gases de efecto invernadero y gases tóxicos (USEPA, 2014).

En Ecuador el 94% del consumo de diésel lo hace el transporte de carga (75% carga liviana y 19% carga pesada) (MAE, 2017). En la ciudad de Guayaquil mayoritariamente el transporte público usa diésel como combustible y es este combustible el mayor emisor de CN entre los combustibles de motor.

Como caso de estudio en Guayaquil, se toma el servicio de transporte urbano que ofrece la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) a sus estudiantes y empleados. Este servicio de transporte se encarga de movilizar a sus usuarios desde diferentes puntos de la ciudad de Guayaquil al recinto universitario y viceversa. La flota de transporte para dar este servicio usa diésel como combustible.

En esta investigación se lleva a cabo un inventario de emisiones de carbono negro desde la flota de transporte urbano de la Escuela Superior Politécnica de Litoral que usa diésel como combustible, haciendo uso del Modelo MOVES de la US EPA.

Metodología: 

Modelo MOVES US EPA.

El modelo MOtor Vehicule Emission Simulator (MOVES) de la US EPA ha sido ampliamente utilizado para estimar emisiones desde fuentes móviles por el Instituto Nacional de Ecología de México y por la Organización Factor CO2 en España (Solaun et al, 2014). Asimismo, la Comisión para la Cooperación Ambiental (2015) valoró diferentes métodos disponibles para estimación de emisiones vehiculares de carbono negro en América del Norte, Europa y Asia y recomendaron utilizar la versión más actualizada del modelo MOVES, debido a las revisiones periódicas de los factores de emisión usados por el modelo por parte de la US EPA.

A continuación, se presenta la ecuación generalizada para la estimación de emisiones vehiculares usada por el modelo MOVES:

Eij= FEij * DAj

Dónde:

Eij:      Emisiones totales de contaminante i en la categoría vehicular j. (g)

FEij:    Factor de emisión de contaminante i en la categoría vehicular j (g/km)

DAj:    Actividad de la categoría vehicular j (km /unidad de tiempo).

 

Un factor de emisión es un valor representativo que trata de relacionar la cantidad de un gas emitido a la atmósfera con la ejecución de una actividad. Estos factores se expresan normalmente como una relación entre la masa de gas y una unidad de masa, volumen, distancia, o tiempo de la actividad de interés. En la mayoría de los casos, estos factores son simplemente promedios de todos los datos disponibles de calidad aceptable y en general, se supone que son representativos de los promedios a largo plazo para todas las instalaciones en la categoría de fuente (EHSO, 2013).

La determinación del factor de emisión es una tarea compleja y puede desarrollarse con técnicas directas e indirectas. Las técnicas directas usan dispositivos de medición en los vehículos auto-transportados para establecer sus emisiones. Las técnicas indirectas se basan en muchas mediciones directas realizadas en diferentes momentos y lugares, las cuales se correlacionan con una flota específica y se ajustan usando parámetros locales que podrían afectar a las emisiones. Estas últimas técnicas al estar basadas en un mayor número de mediciones proporcionan mayor confiabilidad estadística al resultado (Echaniz, 2009). El modelo MOVES utiliza factores de emisión desarrollados con técnicas indirectas y son actualizados periódicamente.

El modelo MOVES contabiliza las emisiones vehiculares por el tubo de escape de vehículos en movimiento, por el tubo de escape de vehículos encendidos sin movimiento y las emisiones por procesos evaporativos. Además, el modelo aplica los ajustes correspondientes al tipo fuente, modo de operación, edad del vehículo, tecnología de motor, características del combustible, condiciones meteorológicas y dispositivos tecnológicos usadas para cumplir la normativa de emisión para el que fue fabricado (USEPA, 2014).

Los parámetros de entrada del modelo MOVES son: tipo de vehículo, edad de fabricación, distancia recorrida, tipo de carretera, velocidad de operación, condiciones meteorológicas locales, tipo de mantenimiento (siempre y cuando esté disponible el factor de ajuste para el combustible), características del combustible (contenido de azufre y biodiesel, índice de catano, presión de vapor Reid) y normativa de fabricación.

La temperatura (T) y la humedad relativa (Hr) del medio ambiente parecieran tener poca influencia sobre las emisiones de PM2,5 (Choi, 2014). La información meteorológica para Guayaquil durante el 2015 es tomada del Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMEH). Como la influencia de estas dos variables es baja, se usa el valor medio anual de la temperatura y humedad relativa para la ciudad de Guayaquil para el año 2015 (T = 81,9 °F y Hr = 75,2 %).

El modelo MOVES para vehículos a gasolina incluye un factor de ajuste que considera los programas de inspección y mantenimiento, pero no cuenta con uno equivalente para vehículos a diésel. El mantenimiento de los vehículos significa las acciones realizadas para mantener el motor en sus condiciones normales de funcionamiento, tales como comprobaciones, ajustes, lubricación, cambios de aceite, cambios de filtros, entre otros. La falta de mantenimiento hace que el nivel de emisiones vehiculares se incremente. El tipo de mantenimiento dado a la flota de transporte de la ESPOL es desconocido.

El dióxido de azufre (SO2) es uno de los contaminantes que se emiten junto con el material particulado durante la quema de combustibles fósiles y, constituye la mayor fracción en masa de partículas finas, convirtiéndose en un indicador de contaminación por partículas (Pope et al. 1995). El contenido de azufre en el diésel hace que las emisiones de sulfatos generen un mayor impacto sobre el ambiente y restringe las soluciones que ofrecen los dispositivos de reducción de emisiones.

El combustible utilizado por el sector del transporte en el Ecuador es el diésel Premium, el cual es usado por la flota de autobuses de ESPOL. El contenido de azufre de este tipo de diésel es 150 ppm. Se destaca que los combustibles norteamericanos tienen una concentración máxima de azufre de 15 ppm.

Se evalúa la influencia del contenido de biodiesel sobre las emisiones de CN ejecutando el modelo MOVES para diferentes concentraciones de biodiesel (5%, 10% y 20%). La Fig. 1 muestra el comportamiento de las emisiones de CN al variar el contenido de biodiesel en el combustible usando el modelo MOVES. En ella se observa que un mayor contenido de biodiesel en el combustible disminuye las emisiones de CN de los vehículos de combustión con diésel.

Figura 1. Comportamiento de las emisiones de carbono negro a partir del contenido de biodiesel en motores de combustión con diésel usando el modelo MOVES.
 

De la normativa ecuatoriana INEN 1489:99 se obtiene el porcentaje de biodiesel, el índice de cetano y la temperatura de destilación al 90% en el combustible diésel Premium. La presión de vapor Reid se obtiene a partir de datos de la Agencia de Regulación de y Control Hidrocarburos del Ecuador (Hidrocarburos, 2016). La Tabla 1 resume las características del diésel Premium usado por la flota de autobuses.

 

Tabla 1. Características de diésel Premium usado por el transporte en Ecuador

 

La normativa ambiental de emisiones que cumplen los vehículos varía según la normativa de cada país. La industria automotriz fabrica distintos modelos que cumplen diferentes normativas, según sea el mercado a cubrir. El contenido de azufre es una variable determinante en las respuestas que ofrecen los dispositivos de reducción de emisiones en los vehículos automotor.

Sobre las normativas ambientales de emisiones vehiculares, destacan dos grandes agencias ambientales cada una con sus respectivos umbrales de emisión máximos permitidos. Aunque hay diferencias en los umbrales propuestos por cada agencia, la tendencia general es diseñar cada vez normas más estrictas, con el objeto de reducir las emisiones de los contaminantes claves (Cooper, 2014). Las agencias que rigen las normativas de emisiones vehiculares en Norteamérica y la Unión Europea son: United Stated Environmental Protection Agency (US EPA) y European Environment Agency (EEA). Los valores máximos permitidos según ambas agencias se muestran en la Tabla 2 y la Tabla 3. 

Tabla 2. Normativas de emisión vehicular de la United Stated Environmental Protection Agency (US EPA)

 

 

 

 

Tabla 3. Normativas de emisión vehicular de European Environment Agency (EEA)

 

 

La normativa ecuatoriana exige que los vehículos que circulan por el territorio nacional cumplan al menos con la normativa norteamericana US EPA94 (emisiones de PM2,5 menores a 0,20 g/km), o con la normativa europea EURO II (emisiones de PM2,5 menores a 0,27 g/km). El modelo MOVES usa como referencia la normativa de la US EPA. Como el CN forma parte del PM2,5 emitido por el tubo de escape y el contaminante que se norma es el PM2,5, se contabiliza PM2,5 para establecer las emisiones de CN.

 

 

Sistema de transporte.

La flota de transporte urbano de ESPOL cubre las necesidades de transporte urbano de la comunidad universitaria que requiere transportarse desde diferentes puntos de la ciudad a la universidad o viceversa. La comunidad universitaria está conformada por 10.736 estudiantes, 640 profesores y 373 empleados que pueden hacer uso de ese transporte.

La flota de transporte está constituida por 18 autobuses de motor a diésel fabricados entre 2004 y 2013. Esta flota está conformada por 12 autobuses de tecnología europea, 2 de tecnología americana y 4 de tecnología japonesa. Las edades de estos vehículos están comprendidas entre 2 y 11 años. La Tabla 4 describe la flota de la ESPOL.

 

Tabla 4. Descripción de la flota vehicular del transporte de ESPOL.

 

 

La tecnología del vehículo y el año de fabricación están relacionadas con el tipo de normativa de emisiones vehiculares para el cual el vehículo fue fabricado. En Ecuador el alto contenido de azufre en sus combustibles impide el cumplimiento de normativas con umbrales bajos de emisiones.

De la Tabla 4 se observa que 12 de los 18 autobuses de la flota son de procedencia europea por lo cual fueron fabricados bajo la normativa europea, los 4 autobuses fabricados por industrias japonesas también cumplen la normativa europea y los 2 autobuses de procedencia estadounidense cumplen con EPA94.

El modelo MOVES opera bajo la normativa de emisiones de la US EPA y, dado que 16 de los 18 autobuses fueron fabricados para cumplir la normativa de la EEA, se proponen las siguientes consideraciones para usar el modelo MOVES con vehículos fabricados bajo esa normativa: la normativa EPA94 permite emisiones máximas de PM2,5 de hasta 0,20 g/km, mientras la normativa EURO II permite emisiones máximas de 0,27 g/km y EURO III de 0,18 g/km. Se tiene que 6 autobuses operan bajo la norma EURO II (33,33 %), la cual es menos estricta que la norma de la EPA94; 10 bajo la norma EURO III (55,55 %), la cual es más estricta que la norma EPA94 y; finalmente, 2 autobuses fueron fabricados bajo la norma EPA94.

Para compatibilizar la normativa sobre emisiones de PM2,5 de los autobuses fabricados bajo normativa ambiental Euro II y Euro III con los fabricados con la normativa EPA94, se propone ejecutar el modelo MOVES bajo una modalidad ventajosa desde la perspectiva de la contaminación, garantizando así que las emisiones contabilizadas sean menores a las reales: 33,33% de los vehículos tendrán permitido emitir 0,07 g/km más que el umbral definido por la norma, 55,55% tendrán permitido emitir 0,02 g/km menos de lo que indica la norma. Las dos últimas columnas de la Tabla 4 muestran la normativa de fabricación de la Unión Europea y la compatible propuesta para la normativa de la USEPA.

Se conoce que la velocidad de los vehículos tiene una influencia directa sobre las emisiones de CN, de manera tal que a menor velocidad se emite mayor cantidad de carbono negro (Porter et al, 2015; Yao, 2014). La velocidad regular de operación de los autobuses se estima mediante entrevistas a los choferes que conducen las diferentes rutas. La velocidad máxima de los autobuses de la flota de ESPOL está entre 52 – 60 km/h, aunque en los horarios de mayor tráfico vehicular de la ciudad (horas pico de la mañana y de la tarde) la velocidad disminuye a menos de 20 km/h, según el sector y la ruta.

Una de las características del funcionamiento universitario es que existen periodos de actividad académica (fechas en que se imparten clases), períodos activos sin actividad académica (fechas en que no se imparten clases, pero sigue habiendo actividad universitaria) y periodos vacacionales (no opera la flota de autobuses). En cada uno de estos períodos cambia la frecuencia de viajes hacia las distintas rutas de la ciudad. En los periodos sin actividad la frecuencia de viajes es el 10% de los períodos con actividad, aunque al menos cada ruta realiza un viaje a primera hora de la mañana y uno al final de la tarde. El período de actividad académica es de 190 días, el periodo sin actividad académica es de 64 días y el período de vacaciones es de 111 días, incluye vacaciones y días domingo.

El servicio de transporte cubre siete rutas dentro de la ciudad de Guayaquil, en ambas direcciones y con diferentes frecuencias, resaltando la ruta Alban Borja por tener una frecuencia diaria igual a 48, seguida de la ruta Sauce con una frecuencia de 11 viajes (ida y vuelta) y el resto de las rutas tienen una frecuencia menor o igual a 3 viajes. La distancia recorrida por la flota vehicular en cada ruta se obtuvo en la Web de la universidad, la cual se encuentra reseñada a través de Google Maps. La Tabla 5 presenta el detalle de cada ruta durante el período de actividad académica. La Tabla 6 muestra la distancia recorrida mensual considerando tanto los periodos con y sin actividad académica. Estas distancias representan la actividad mensual del modelo MOVES.

Al ejecutar el programa MOVES para estimar emisiones de CN sólo se consideran los recorridos realizados por la flota de transporte urbano rutinario de la ESPOL, para periodos con o sin actividad académica. Además, se consideró que todos los vehículos de la flota recorren distancias iguales, aunque en realidad no suceda de esa manera.

Tabla 5. Rutas de la flota de transporte de ESPOL en el año 2015

 

Tabla 6. Actividad de la flota transporte de ESPOL en año 2015

Resultados: 

Estimación del CN emitido por la flota de autobuses de ESPOL.

El modelo MOVES asigna automáticamente la norma de emisiones vehiculares que aplica en base al año de fabricación del vehículo. Dado que los vehículos que ingresan a Ecuador no necesariamente fueron fabricados con la norma vigente para la US EPA -sino que las emisiones están condicionadas por las características del combustible que tenga el país y sus normas vigentes (EPA94)- se tiene que para Ecuador el año de fabricación del vehículo que ingresa al país, no necesariamente está ligado a la norma de emisión vehicular vigente para la US EPA.

Como resultado de la premisa anterior, se diseñan tres escenarios de funcionamiento para ser ejecutados por el modelo MOVES, que consideran la edad de los vehículos y el cumplimiento de la normativa de emisiones EPA94: escenario 1999, agrupa a los vehículos que tienen entre 2 y 6 años de edad (10 vehículos); escenario 2003, agrupa a los vehículos que tienen entre 7 y 9 años (6 vehículos) y; escenario 2005, agrupa a los vehículos que tienen 10 y 11 años de edad (2 vehículos).

En la Tabla 7 se muestra el escenario 1999 señalando el ID de los vehículos (Tabla 4), el año de fabricación y su edad real; adicionalmente, se muestra el año supuesto de fabricación según escenario y la edad que le asigna el modelo MOVES de forma automática. Esa misma información se encuentran en la Tabla 8 y Tabla 9 para el escenario 2003 y el escenario 2005. Se hicieron los ajustes correspondiente para establecer los kilómetros por año recorridos por cada escenario.

Tabla 7. Detalles del año de fabricación real y según escenario 1999.

 

Tabla 8. Detalles del año de fabricación real y según escenario 2003

 

Tabla 9. Detalles del año de fabricación real y según escenario 2005


 

Una vez obtenida la distancia total anual recorrida por la flota de transporte urbano de ESPOL, se establece la distancia anual y mensual para cada escenario (ver Tabla 10 y Tabla 11). Con esa información se ejecuta el modelo MOVES para cada escenario y cada mes y, se obtiene el total de emisiones de carbono negro igual a 2 254 g/año desde la flota de autobuses urbanos de la ESPOL para 2015 (ver Tabla 11).

 

Tabla 10. Distancia Anual recorrida por cada escenario.


 

Tabla 11. Emisiones de carbono negro desde la flota de la ESPOL por escenario


 

Haciendo uso del valor Global-warming potential (GWP100) para el CN igual a 460, se obtiene que la emisión equivalente de dióxido de carbono por las emisiones de 2 254 g/año de CN desde la flota de autobuses urbanos de la ESPOL para el año 2015 es de 1036840 gCO2eq.

Conclusiones: 

Se realizó un inventario de emisiones de carbono negro desde la flota de transporte urbano de la ESPOL que usa diésel Premium como combustible. Para esto se usó el modelo MOtor Vehicule Emission Simulator (MOVES) de la United Stated Environmental Protection Agency (US EPA), el cual usa está diseñado para inventariar vehículos fabricados bajo normas de emisión vehicular de la US EPA. La flota vehicular está conformada por 18 autobuses que datan desde 2004 a 2013, de los cuales 16 autobuses fueron fabricados para cumplir con la norma de la European Environment Agency (EEA). Se propuso ejecutar el modelo para tres escenarios que permitieron hacer los ajustes necesarios para usar el modelo MOVES para inventariar emisiones de vehículos fabricados bajo norma EEA. Los escenarios se diseñaron discriminado según el año de fabricación del vehículo y, se calculó la emisión de carbono negro -en forma de PM2,5-.

El proceso de calibración del modelo determinó que para reducir las emisiones de carbono negro pareciera ser más importante aumentar el contenido de biodiesel de la mezcla de diésel que disminuir la concentración de azufre.

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