Actualización del inventario de emisiones para vehículos operados con gasolina y gas natural en Bogotá

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(1)ACTU ALIZACIÓN DEL IN VENTARIO DE EMISIONES PARA VEHICULOS OPERADOS CON GASOLINA Y GAS NATURAL EN BOGOTÁ. PAULA RODRIGUEZ VARGAS. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2007.

(2) ACTU ALIZACIÓN DEL IN VENTARIO DE EMISIONES PARA VEHICULOS OPERADOS CON GASOLINA Y GAS NATURAL EN BOGOTÁ. PAULA RODRIGUEZ VARGAS Proyecto de grado presentado a la Universidad de Los Andes Como requisito parcial para obtener el titulo de Ingeniera Ambiental. ASESOR EDUARDO BEHRENTZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2007.

(3) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. TABLA DE CONTENIDO. 1.. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES..............................................................................1. 1.1.. Investigaciones previas de carácter internacional........................................................2. 1.2 Investigaciones Previas en Bogotá......................................................................................5 1.2.1 Descripción del Proyecto IVE.......................................................................................6 2.. OBJETIVOS............................................................................................................................9. 2.1 Objetivo General:....................................................................................................................9 2.2 Objetivos Específicos:............................................................................................................9 3.. JUSTIFIC ACIÓN ................................................................................................................. 10. 4.. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 11. 4.1 Selección de las Categorías Vehiculares......................................................................... 11 4.2 Selección de la Ruta............................................................................................................ 14 4.3 Obtención de los Vehículos................................................................................................ 15 4.4 Instrumentación y Montaje ................................................................................................. 17 4.6 Desarrollo de la Campaña.................................................................................................. 20 4.7 Análisis de la información recolectada en campo........................................................... 22 5.. RESULTADOS.................................................................................................................... 23. 5.1 Factores de Emisión de Vehículos con Arranque en Frío............................................. 23 5.2 Factores de Emisión de Vehículos convertidos a gas natural...................................... 28 6.. CONCLUSIONES Y RECOMEND ACIONES................................................................. 34. 7. REFERENCIAS ...................................................................................................................... 37. i.

(4) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Metodologías para la actualización del inventario de emisiones..........................2 Figura 4.1. Representación esquemática de la metodología.............................................. 11 Figura 4.2. Categorías vehiculares.......................................................................................... 13 Figura 4.3. Mapa de la ruta...................................................................................................... 14 Figura 4.4. Formato de recepción de vehículos.................................................................... 16 Figura 4.5. Imagen del equipo de medición de emisiones.................................................. 17 Figura 4.6. Imagen del equipo utilizado para la determinación del flujo. .......................... 18 Figura 4.7. Imagen de un vehiculo en prueba ....................................................................... 18 Figura 4.8. Imagen de los equipos de monitoreo de emisiones........................................ 19 La Figura 4.9 es una representación esquemática del proceso llevado a cabo en el monitoreo de los vehículos....................................................................................................... 20 Figura 4.9. Representación esquemática de la prueba. ...................................................... 20 Figura 5.1. Factores de emisión de CO2 para las diferentes categorías vehiculares..... 23 Figura 5.3. Factores de emisión de NOx para las diferentes categorías vehiculares ..... 25 Figura 5.5. % de reducción en los factores de emisión para los diferentes contaminantes por el uso de tecnologías de control de emisiones (convertidor catalítico)...................... 27 Figura 5.6. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de CO2 (g/s) para vehículos convertidos.............................................................................................. 29 Figura 5.7. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de CO (g/s) para vehículos convertidos.............................................................................................. 30 Figura 5.8. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de NOx (g/s) para vehículos convertidos.............................................................................................. 31 Figura 5.9. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de HC (g/s) para vehículos convertidos............................................................................................. 32 Figura 5.10. Porcentaje de variación al convertir los vehículos y operarlos con gas natural........................................................................................................................................... 33. ii.

(5) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. RESUMEN Se realizaron mediciones en tiempo real de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), Hidrocarburos (HC) y óxidos nitrosos (NOx) en vehículos livianos en la ciudad de Bogotá. Los vehículos analizados funcionaban con gasolina o gas natural comprimido (GNC). Se realizaron 127 pruebas en 116 vehículos (11 vehículos equipados con motores duales fueron sometidos a dos pruebas de emisiones. En 105 vehículos la medición se inició con el vehículo frío (después de 12 horas de inmovilización) con el fin de determinar el efecto de la temperatura en las emisiones de los contaminantes analizados. Las mediciones se realizaron utilizando la metodología de pruebas en la vía con un equipo portátil que registra las concentraciones de los contaminantes en tiempo real. Cada prueba tuvo una duración aproximada de 30 minutos. Adicionalmente, se registró información de velocidad y posición mediante un GPS (Sistema de posicionamiento global). Los vehículos con convertidor catalítico mostraron emisiones menores de todos los contaminantes monitoreados con respecto a los vehículos que no cuentan con esta tecnología. Los porcentajes de reducción son 90% para CO, 88% para HC, 47.4% para NOx y 11% para CO2. Los vehículos convertidos a GNC que fueron analizados con los dos combustibles no mostraron mejoras significativas cuando operaban con GNC. Para NOx las emisiones aumentan en un 61 %, para HC aumentan en un 27.2 % y para CO aumentan en un 5% al operar el vehículo con gas natural. La única reducción registrada al operar los vehículos con gas natural fue en CO2, este disminuyó al operar los vehículos con gas en un 8%.. iii.

(6) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES Son muchas las variables que afectan la calidad del aire en un centro urbano. Para el caso de Bogotá, el diagnostico es claro e indica que gran parte de su problema tiene que ver con las fuentes móviles. Un primer paso para tomar decisiones que contribuyan al mejoramiento de las condiciones de la calidad del aire en la ciudad tiene que ver con la generación de un inventario de emisiones actualizado y confiable. Combinando el inventario de emisiones y los datos de la red de monitoreo de calidad del aire de la ciudad es posible establecer la responsabilidad que le atañe a los diferentes grupos emisores.. La Figura 1. presenta una clasificación de las metodologías comúnmente empleadas para el cálculo de los inventarios de emisiones relacionados con fuentes móviles.. Página 1 de 38.

(7) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. Fuera de la vía Medición indirecta. Estimación con bases de datos. Cañón urbano Dentro de la v ía Estudio de túneles. Deter minación del inventario de emisiones. Fuera de la vía Medición directa. Mediciones en dinamómetro Medición indirecta con equipo remoto. Dentro de la v ía Medición directa con equipo portátil. Figura 1. Metodologías para la actualización del inventario de emisiones.. 1.1.. Investigaciones previas de carácter internacional. Singer et al. (1999) estimó un inventario de emisiones para la costa del sur de California. La metodología utilizada fue medición indirecta con equipo remoto (ver Figura 1). En este estudio se estimaron los factores de emisión en unidades de gramos producidos por unidad de combustible utilizado para después utilizar datos de consumo de combustible y número de vehículos. De acuerdo con este estudio, las emisiones de monóxido de carbono fueron 4700 ± 500 ton día-1 y 550 ± 90 ton día-1de VOC.. Página 2 de 38.

(8) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. La metodología descrita anteriormente es económica (Sajal S. et al., 2002) y puede realizarse en cualquier geografía. Sin embargo su exactitud es función de si los vehículos que son incluidos en la muestra son representativos de la flota de la ciudad caso estudio. Por otra parte las emisiones son función del régimen del motor, información que no se obtiene con esta metodología.. En el año 2002 se realizó un inventario de emisiones para la ciudad de Dublín en Irlanda (Reynolds et al., 2000). En este caso se utilizó una metodología indirecta fuera de vía (ver Figura 1). Los factores de emisión se obtuvieron de bases de datos prexistentes. Los factores de actividad se obtuvieron por medio del sistema de control de tráfico que fue instalado en 500 intercepciones del centro Dublín. Este sistema registra el número de vehículos que circulan en cada intercepción en tiempo real así como la distancia que hay entre ellos. Adicionalmente, se instalaron circuitos cerrados de televisión que aportaron información adicional acerca del tipo de vehículos.. En este estudio se estimó un factor de emisión para las horas pico y otro diferente para las horas valle. Los factores estimados fueron de 64 g h-1 para dióxido de azufre, 1,613 g h-1 para óxidos de nitrógeno, 9,537 g h-1 de monóxido de carbono y 93 g h-1 para material particulado para las horas pico. Para las horas valle los resultados fueron 60 g h-1 para SO2, 1,567 g h-1 para NOx, 7,467 g h-1 para CO, y 110 g h-1 para PM10.. Behrentz (2005) realizó un estudio con el fin de determinar las variables que intervienen en las emisiones de oxido nitroso (N 2O) en vehículos livianos que funcionan con Página 3 de 38.

(9) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. gasolina en Los Ángeles, California. En esta investigación se llevaron a cabo 400 pruebas dinamométricas estableciendo correlaciones entre las emisiones del contaminante estudiado y la temperatura del proceso, el tipo de vehículo, el ciclo de manejo, la presencia de convertidor catalítico y el efecto del tráfico. Las mediciones dinamométricas (ver Figura 1.1) hacen referencia a una metodología de medición directa en la que se recolectan las emisiones en el tubo de escape en condiciones altamente controladas y reproducibles.. A través de los resultados de este estudio, se determinó que la temperatura del catalizador es la variable mas importante en las emisiones de oxido nitroso. Se llevaron a cabo pruebas para analizar si la edad del convertidor catalítico influía en el incremento de emisiones de óxido nitroso utilizando convertidores vacíos, nuevos y usados, encontrando que los convertidores vacíos (equivalentes a la ausencia de convertidor) no presentan emisiones de óxido nitroso. Los convertidores nuevos presentan altas concentraciones cuando el vehículo se encuentra frío (al inicio de la prueba) y los convertidores usados presentan varios episodios durante toda la prueba. El factor de emisión promedio para N2O para la flota evaluada fue 20 mg km -1.. Otra metodología utilizada en la realización de inventarios son las mediciones de contaminantes en tiempo real de forma directa y en pruebas en ruta con equipos portátiles (ver Figura 1). Tal es el caso del inventario de emisiones realizado en Beijing, China (Qiao et al., 2006). En este estudio el equipo utilizado fue un PEMS (Sistema. Página 4 de 38.

(10) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. portátil para medición de emisiones) con el que se llevaron a cabo mediciones de concentraciones de diferentes contaminantes en tiempo real.. En esta investigación se determinó un factor de emisión diferente para cada tipo de vía (autopista, arteria principal, arteria menor y calles local). Se encontró que las emisiones por kilómetro de los contaminantes medidos (CO, NOx, HC, PM y CO 2), son menores en las autopistas que en otras vías.. 1.2 Investigaciones Previas en Bogotá Zarate (2007) se basó en una metodología indirecta dentro de la vía (ver Figura 1) en la que se llevó a cabo una aplicación inversa de modelos de dispersión dentro de un cañón urbano. Este estudio realizado en Bogotá llevó a cabo mediciones de concentraciones de contaminantes criterio en la atmósfera con el fin de determinar los factores de emisión de los vehículos de la ciudad. Los factores de emisión estimados en este estudio fueron de 838 ton día-1 para CO, 37.4 ton día-1 para NOx, 4.5 ton día-1 para PM10, 6.3 ton día-1 para SO2 y 5,133 ton día-1 para CO2.. (Behrentz et al., 2005) realizó un estudio para Bogotá, en el que se determinaron los factores de emisión basándose en datos de pruebas dinamométricas de California. Para determinar el factor de actividad se tomó un año base (2003) y se hicieron regresiones lineales para los demás vehículos entre el kilometraje y la edad del vehículo. Se estimaron factores de emisión para vehículos livianos que funcionan con gasolina.. Página 5 de 38.

(11) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 230,000 ton año-1 para CO, 3`000,000 ton año-1 para CO2, 12,000 ton año-1 para NOx, 25,000 ton año-1 para THC, 1,400 ton año-1 para CH4 y 90 ton año-1 para N2O.. 1.2.1 Descripción del Proyecto IVE Muchos de los modelos computacionales utilizados para la estimación de inventarios de emisiones desarrollados en Europa y Estados unidos tienen una aplicabilidad exclusiva para el lugar en el cual fueron desarrollados. Estos modelos presentan problemas al ser aplicados a ciudades de países en vía de desarrollo ya que las características de la flota vehicular y los combustibles presentan grandes diferencias.. El proyecto IVE (modelo internacional para emisiones vehiculares) busca facilitar la elaboración de inventarios de emisiones de fuentes móviles para ciudades de países en vía de desarrollo.. El proyecto IVE ha sido desarrollado en dos etapas, en la primera etapa se estimaron los factores de actividad para las diferentes categorías vehiculares. En el estudio realizado para la ciudad de Bogotá (Giraldo, 2005). Los factores de actividad (kilómetros recorridos en el día) se obtuvieron por medio de 540 encuestas realizadas en parqueaderos. La distribución de la flota se determinó por medio de aforos vehiculares utilizando cámaras de video en diferentes vías. La velocidad promedio se determinó con mediciones en los vehículos en ruta con un sistema GPS, también se. Página 6 de 38.

(12) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. hicieron mediciones de la pendiente de las calles y del posicionamiento geográfico para determinar el patrón de conducción de la ciudad.. En esta primera fase se utilizaron factores de emisión desarrollados con el ciclo FTP (método de prueba federal) de Estados Unidos. Estos factores fueron corregidos por categoría vehicular, presencia de tecnologías de control de emisiones, temperatura, humedad, calidad de combustible, altura, pendiente de las vías y patrón de conducción. Esto permitió hacer un inventario de emisiones con mas variables propias de Bogotá y por lo tanto mas representativo. Los factores estimados en la primera fase del proyecto IVE fueron 820,000 ton año-1 para CO, 2,000 ton año-1 para PM10 , 2,200 ton año-1 para SOx, 49,000 ton año-1 para NOx, 69,000 ton año-1 para COV, 4’600,000 ton año-1 para CO2, 110 ton año-1 para N2O y 14,000 ton año-1 para CH4.. Este proyecto también ha sido desarrollado en Beijing (China), Lima (Perú), Ciudad de Méjico (Méjico), Nairobi (Kenya), Pune (India), Santiago (Chile), Sao Paulo (Brasil) y Shangai (China).. Herrera (2007) realizó la actualización del inventario utilizando la metodología IVE. Utilizando los mismos factores de emisión y actualizando el tamaño de la flota para el 2007, se llevaron a cabo los cálculos para establecer un nuevo inventario de emisiones para fuente móviles. Los resultados encontrados fueron 377,045 ton año-1 para CO, 39,055 ton año-1 para COV, 42,340 ton año-1 para NOx, 1,095 ton año-1 para PM2.5 y 73 ton año-1 para N2O. Página 7 de 38.

(13) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. El proyecto IVE fase II en Bogotá fue financiado por La Secretaria Distrital de Ambiente y desarrollado por la Universidad de Los Andes e investigadores del ISSRC (Centro Internacional de Investigación de Sistemas Sostenibles). Este proyecto tiene como objetivo determinar los factores de emisión de CO, CO2, NO x e HC mediante pruebas en ruta. Con los factores de emisión y con la información obtenida en la primera parte del proyecto (IVE fase I) se determina el inventario de emisiones de los vehículos que funcionan con gasolina y gas natural en la ciudad de Bogotá.. El proyecto IVE fase II también ha sido desarrollado en Ciudad de Méjico (Méjico), Nairobi (Kenya), Santiago (Chile) y Sao Paulo (Brasil). Este trabajo describe los resultados preliminares del desarrollo del proyecto IVE fase II en Bogotá para gasolina y gas natural.. Página 8 de 38.

(14) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 2. OBJ ETIVOS 2.1 Objetivo General: Actualizar el inventario de emisiones para fuentes móviles de la ciudad de Bogotá, específicamente para la flota que utiliza gasolina y gas natural como combustible. 2.2 Objetivos Específicos: •. División de la flota de Bogotá en categorías vehiculares que sean óptimas para el estudio.. •. Aplicar la metodología del proyecto IVE para la determinación de los factores de emisión.. •. Analizar la información obtenida para determinar los factores de emisión de CO, CO2, HC y NO x en gr s -1, que sean representativos para Bogotá.. Página 9 de 38.

(15) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 3. JUSTIFICACIÓN El desarrollo de medidas que ayuden a mejorar la calidad del aire de la ciudad, debe estar sustentado en estudios confiables que ayuden a entender cual es la magnitud del problema, cual es el grado de responsabilidad que atañe a las distintas fuentes de emisión, y cuales podrían ser las posibles soluciones. El inventario de emisiones de fuentes móviles generado en este trabajo fue determinado con un método de medición directa en tiempo real y en la vía. Este tipo de metodología requiere una inversión mayor pero los resultados obtenidos son mas aproximados a la realidad.. Página 10 de 38.

(16) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 4. METODOLOGÍA La figura 4.1 muestra un diagrama esquemático de la metodología utilizada en este estudio. En las páginas siguientes se describe en detalle dicha metodología. 1. Selección de las categorías vehiculares 2. Selección de la ruta. 3. Obtención de los vehículos y programación de las pruebas 4. Desarrollo de la campaña de medición 5. Análisis de la información recolectada en campo. Figura 4.1. Representación esquemática de la metodología.. 4.1 Selección de las Categorías Vehiculares Para seleccionar las categorías vehiculares se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros: • Tipo de vehículo: Vehículo de pasajeros, campero o camioneta, taxi. • Tecnología de control de emisiones: Se monitorearon vehículos que contaran con convertidor catalítico y se compararon con vehículos que no lo tuvieran. De esta Página 11 de 38.

(17) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. manera se determinan las variaciones en las emisiones de los diferentes contaminantes por el uso de esta tecnología. • Cilindraje, el tamaño del motor puede estar directamente relacionado con las emisiones. • Tipo de combustible: Es importante determinar de forma cuantitativa las diferencias en las emisiones al convertir los vehículos de gasolina a gas natural, antes de hacer una reconversión masiva en la ciudad.. Para determinar las categorías se utilizó información de la base de datos de la Secretaria Distrital de Movilidad de Bogotá. La Figura 4.2 muestra como combinando los parámetros anteriormente explicados se determinaron las diferentes categorías vehiculares. Los 3 diferentes tipos de vehículos, vehículos de pasajeros (VP), camperos y camionetas (CC) y ta xis (T), se clasifican primero por el tipo de combustible, gasolina o gas natural (GNC). Después los vehículos se clasificaron por tecnología de control de emisiones TWC significa presencia de convertidor catalítico y No TWC significa que el vehiculo no cuenta con convertidor catalítico. Finalmente los vehículos se clasificaron por el cilindraje, es decir por el tamaño del motor en centímetros cúbicos.. Página 12 de 38.

(18) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. Figura 4.2. Categorías vehiculares. VP1 = Vehículo de pasajeros + Gasolina + TWC + ≤ 1400 cc. VP2 = Vehículo de pasajeros + Gasolina + TWC + > 1400 cc. VP3 = Vehículo de pasajeros + Gasolina + No TWC + ≤ 1400 cc. VP4 = Vehículo de pasajeros + Gasolina + No TWC + > 1400 cc. CC1 = Campero o camioneta + Gasolina + TWC + < 2500cc. CC3 = Campero o camioneta + Gasolina + No TWC + < 2500cc. CC4 = Campero o camioneta + Gasolina + No TWC + ≥ 2500cc. CC5 = Campero o camioneta + GNC. T1 = Ta xi + Gasolina + TWC. T3 = Ta xi + GNC.. Página 13 de 38.

(19) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 4.2 Selección de la Ruta La ruta escogida fue un circuito cerrado cuyo punto de partida se encontraba en la localidad de Puente Aranda. En la ruta se incluyeron vías rápidas (Avenida El Dorado), avenidas intermedias (Cra 68, Avenida Las Américas y Calle 13) y vías pequeñas en el interior de la zona industrial de Puente Aranda. La ruta utilizada tiene una longitud de aproximadamente 10 kilómetros y una duración de 30 minutos. En la Figura 4.3 se puede observar la ruta descrita anteriormente.. Figura 4.3. Mapa de la ruta.. Página 14 de 38.

(20) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 4.3 Obtención de los Vehículos. Los vehículos utilizados fueron reclutados del público general mediante el pago de una remuneración. Estos vehículos fueron trasladados al laboratorio de la Universidad de Los Andes una noche antes de la medición. De esta forma se garantizó que los vehículos estuvieran fríos antes de empezar la prueba. En el momento en que el propietario hacia entrega del vehículo, se firmaba el formato de recepción ilustrado en la Figura 4.4.. Página 15 de 38.

(21) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Figura 4.4. Formato de recepción de vehículos.. Página 16 de 38. IAMB 2007 1012.

(22) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 4.4 Instrumentación y Montaje. Para la determinación de las concentraciones de los contaminantes en tiempo real se utilizó el equipo SEMTECH-G (Sensors, Inc.). Este es un equipo portátil que reporta los datos en tiempo real con resolución temporal de unos cuantos segundos. El equipo registra HC por medio de un FID (detector de ionización de llama calentada), NOx por medio de un NDUV (analizador ultravioleta no dispersivo) y CO y CO2 por medio de un NDIR (analizador infrarrojo no dispersivo).. Figura 4.5. Imagen del equipo de medición de emisiones. La determinación del factor de emisión requiere de mediciones de concentraciones y flujo del gas de escape. Esta última medición se llevó a cabo con un flujómetro SEMTECH-EFM (Sensors.Inc.). Adicionalmente los vehículos fueron equipados con un GPS y medidores de humedad y temperatura ambiente. En la Figura 4.6 se muestra una imagen del flujómetro utilizado en los monitoreos.. Página 17 de 38.

(23) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. Figura 4.6. Imagen del equipo utilizado para la determinación del flujo. Cada vehículo monitoreado fue señalizado como “vehículo en prueba” y se registró una fotografía de cada vehículo equipado en el momento de salir al recorrido como se muestra en la Figura 4.7.. Figura 4.7. Imagen de un vehículo en prueba.. Página 18 de 38.

(24) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Figura 4.8. Imagen de los equipos de monitoreo de emisiones.. Página 19 de 38. IAMB 2007 1012.

(25) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 4.6 Desarrollo de la Campaña La Figura 4.9 es una representación esquemática del proceso llevado a cabo en el monitoreo de los vehículos. 1. Recepción del vehículo en el laboratorio la no che anterior a la prueba. 2. Instalación de los equipos de medición en el primer vehículo 3. Inicio de la grabación de las emisiones 4. Recorrid o del vehículo en la ruta seleccionada 5. Retorno del vehículo al laboratorio 6. Finaliza ción de la grabación de emisione s 7. Registro de la hora de llegada y del kilometraje final. 8. Desca rga de los datos grabados del equipo al computado r 9. Desinstalación de los equipos. 10. Instalació n de los equipos en el vehículo sigu ie nte. Figura 4.9. Representación esquemática de la prueba. El equipo utilizado, SEMTECH-G (Sensors, Inc.), se conecta de forma inalámbrica a un computador. Antes de iniciar cada prueba, por medio del computador se ingresaba la. Página 20 de 38.

(26) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. información del vehículo y se daba inicio a la grabación de las emisiones. Una vez iniciada la grabación, se procedía a recorrer la ruta seleccionada. Todos los vehículos recorrían la misma ruta. Se contrataron dos conductores para todas las pruebas. Todos los vehículos excepto los taxis, fueron conducidos por estas dos personas. Cuando un vehículo terminaba la prueba y regresaba al laboratorio, se detenía la grabación, se pasaban los datos del SEMTECH-G (Sensors, Inc.) al computador y se instalaban los equipos en el siguiente vehículo.. Se muestrearon 116 vehículos. De estos, 105 vehículos están homogéneamente distribuidos en las categorías explicadas en la figura 4.2. Los 11 vehículos restantes fueron vehículos convertidos a GNC que a excepción de los pertenecientes a las categorías T31 y CC52 fueron muestreados con los dos combustibles (GNC y gasolina) simultáneamente. Las pruebas realizadas a estos 11 vehículos, se iniciaron las dos veces con el vehículo caliente. Esto garantizaba que el monitoreo de las emisiones con los dos combustibles, se hiciera en las mismas condiciones de temperatura inicial del vehículo.. 1 2. Taxis muestreados con GNC Camperos o camionetas muestreados con GNC. Página 21 de 38.

(27) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 4.7 Análisis de la información recolectada en campo La información recolectada en campo fue validada y organizada en una base de datos para su posterior análisis. La base de datos cuenta 33 variables y 26,047 registros, las variables hacen referencia a información particular de cada vehículo monitoreado al posicionamiento geográfico durante la prueba, las concentraciones de los contaminantes monitoreados, flujo del gas de escape y factor de actividad en gramos por segundo. Los datos fueron almacenados en la base en series de 6 segundos obtenidas por medio de una mediana.. Página 22 de 38.

(28) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 5. RESULTADOS 5.1 Factores de Emisión de Vehículos con Arranque en Frío En esta sección se presentan los promedios de los factores de emisión para los contaminantes monitoreados. El factor de emisión está calculado en gramos por segundo para cada categoría vehicular. En esta sección solo se discuten lo resultados de los factores de emisión que fueron calculados iniciando las pruebas con los vehículos fríos, después de 12 horas de inmovilidad. Los valores presentados son los promedios de los registros obtenidos en cada categoría.. 3.0 2.5. (g/s). 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 CC5. CC4. CC1. CC3. VP2. VP4. VP3. T3. T1. VP1. Categoría. Figura 5.1. Factores de emisión de CO2 para las diferentes categorías vehiculares.. Página 23 de 38.

(29) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. En la figura 5.1 se observa que los factores de emisión de CO2 para las categorías CC (campero o camioneta) son mayores que los de las otras categorías. Las emisiones de CO2 pueden estar directamente relacionadas con el tamaño del motor (cilindraje).. 0.7 0.6. (g/s). 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 CC4. VP4. VP3. CC3. CC5. T3. T1. CC1. VP2. VP1. Categoría. Figura 5.2. Factores de emisión de CO para las diferentes categorías vehiculares. En la Figura 5.2 se observa un factor de emisión alto en las categorías VP3, VP4, CC3 y CC4 con respecto a las otras categorías. Estas cuatro categorías corresponden a vehículos que operan sin tecnología de control de emisiones. Se observa también un factor mas alto para VP4 con respecto a VP3, aunque estas dos categorías no cuentan con convertidor catalítico, los vehículos que corresponden a la categoría VP4 tienen un motor de mayor tamaño (≥ 1400 cc). Lo mismo ocurre para las categorías CC3 y CC4, no cuentan con tecnología de control de emisiones pero los vehículos que. Página 24 de 38.

(30) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. corresponden a la categoría CC4 tienen un motor mas grande (≥ 2500 cc). El factor de emisión parece estar relacionado con la ausencia de convertidor catalítico y con en cilindraje de los vehículos.. 0.03 0.03. (g/s). 0.02 0.02 0.01 0.01 0.00 T3. CC5. CC3. VP4. CC4. VP3. CC1. T1. VP2. VP1. Categoría. Figura 5.3. Factores de emisión de NOx para las diferentes categorías vehiculares En la figura 5.3 se observa que los factores de emisión mas altos son los de las categorías T3 (0.027 g/s) y CC5 (0.018 g/s). Estas dos categorías corresponden a taxis que operan con gas natural (T3) y a camperos o camionetas que operan con gas natural (CC5). Es de resaltar que estas dos categorías cuentan con cilindrajes muy diferentes y sin embargo son las dos categorías que presentan altos factores de emision. Los altos factores de emisiones para NOx parecen estar relacionados con la. Página 25 de 38.

(31) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. operación con gas natural, esto puede explicarse por que la combustión con gas produce temperaturas mas elevadas y esto aumenta la producción de NOx.. 0.18 0.16 0.14. (g/s). 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 T3. CC3. VP4. VP3. CC4. CC5. CC1. VP2. T1. VP1. Categoría. Figura 5.4. Factores de emisión de HC para las diferentes categorías vehiculares En la Figura 5.4 se observa que las categorías que cuentan con convertidor catalítico (VP1, VP2, CC1 y T1) son las que presentan factores de emisiones mas bajos. La categoría T3 presenta el factor de emisión mas alto (0.168 g/s para HC), a esta categoría pertenecen taxis operados con gas indistintamente de si cuentan con tecnología de control de emisiones.. Página 26 de 38.

(32) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 100. % reducción. 80. 60. 40. 20. 0 CO. HC. NOx. CO2. Figura 5.5. % de reducción en los factores de emisión para los diferentes contaminantes por el uso de tecnologías de control de emisiones (convertidor catalítico). La Figura 5.5 muestra el porcentaje de reducción del factor de emisión para los diferentes contaminantes monitoreados por el uso de tecnología de control de emisiones. En las Figuras anteriores, en las que se muestran los factores de emisión para cada categoría vehicular, frecuentemente se encontró que las categorías que cuentan con tecnología de control de emisiones tienen factores de emisión menores a los de las categorías que no cuentan con esta tecnología. Al agrupar todas las categorías que cuentan con esta tecnología se obtuvieron los porcentajes de reducción expuestos en la Figura 5.5.. Página 27 de 38.

(33) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. El buen desempeño del convertidor catalítico se ve acompañado a otras variables tales como la edad de los vehículos, para que este tipo de tecnologías puedan implementarse en un vehículo, este debe contar con inyección electrónica en lugar del carburador, esto hace que los vehículos que cuentan con convertidor catalítico sean mas nuevos. Al ser de fabricación mas reciente tienen mejores diseños, consumen menos combustible por kilómetro recorrido y por lo tanto tienen un factor de emisión menor que los vehículos antiguos.. 5.2 Factores de Emisión de Vehículos convertidos a gas natural En esta sección se hace una comparación de los promedios de los factores de emisión de vehículos convertidos a gas natural monitoreados con los dos combustibles. Se monitorearon 11 vehículos convertidos con ambos combustibles (gas natural y gasolina). Ya que las pruebas con cada combustible se realizaron de forma simultanea, estos vehículos empezaron las dos pruebas cuando el vehículo se encontraba caliente, de esta forma ambas pruebas puedes ser comparadas.. Página 28 de 38.

(34) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 2.4 2.4 2.3. (g/s). 2.3 2.2 2.2 2.1 2.1 2.0 Vehículo operado con GNC. Vehículo operado con gasolina. Figura 5.6. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de CO2 (g/s) para vehículos convertidos. En la figura 5.6 se observa que en términos estadísticos el factor de emisión para CO2 de los vehículos operados con gasolina es mayor al factor de emisión de los vehículos operados con gas natural. Este resultado es consecuente con la estructura química de del gas natural y la gasolina, el primero cuenta con menos carbonos en su estructura molecular.. Página 29 de 38.

(35) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 0.118 0.116 0.114 0.112. (g/s). 0.110 0.108 0.106 0.104 0.102 0.100 0.098 Vehículo operado con GNC. Vehículo operado con gasolina. Figura 5.7. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de CO (g/s) para vehículos convertidos. En la figura 5.7 se observa un traslapo en los intervalos de confianza de los factores de emisión de CO para los dos combustibles, este resultado es estadísticamente no concluyente es decir, no se puede decir que al utilizar gas natural en vez de gasolina se reduzca el factor de emisión de CO.. Página 30 de 38.

(36) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 0.018 0.016 0.014. (g/s). 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 Vehículo operado con GNC. Vehículo operado con gasolina. Figura 5.8. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de NOx (g/s) para vehículos convertidos. En la figura 5.8 se observa que al operar los vehículos con gas natural el factor de emisión es significativamente mayor que al operar los vehículos con gasolina. Este resultado tiene valides estadística. Esto quiere decir que al convertir un vehículo a gas natural y operarlo con este combustible no se obtienen beneficios ambientales en cuanto a emisiones de NOx.. Página 31 de 38.

(37) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 0,016 0,014 0,012. (g/s). 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000 Vehículo operado con GNC. Vehículo operado con gasolina. Figura 5.9. Promedio e intervalo de confianza (95 %) de los factores de emisión de HC (g/s) para vehículos convertidos. En la figura 5.9 se observa que en términos estadísticos al operar los vehículos convertidos a gas natural con dicho combustible, el factor de emisión es significativamente mayor. Esto quiere decir que para el caso de las emisiones de HC tampoco existe un beneficio ambiental al convertir y operar los vehículos con gas natural.. Página 32 de 38.

(38) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 80. % de variación. 60. 40. 20. 0 NOx. HC. CO. CO2. -20. Figura 5.10. Porcentaje de variación al convertir los vehículos y operarlos con gas natural. En la Figura 5.10 se muestra el porcentaje de variación en los factores de emisión al operar los vehículos con gas natural. El factor de emisión de NOx aumenta en un 61.5%, para HC aumentan en 27.4% y para CO el factor aumenta en un 4%. La única disminución se da en el factor de emisión de CO2, para este caso el factor de emisión disminuye un 8%. Como se puede observar, para 3 de los 4 contaminantes monitoreados, la operación de los vehículos con gas natural no conlleva a beneficios ambientales.. Página 33 de 38.

(39) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De acuerdo a la información analizada estadísticamente, la conversión de vehículos que originalmente funcionan con gasolina a gas natural no ayuda a disminuir los factores de emisión para HC y NO x, por el contrario los aumenta. De los contaminantes monitoreados, solo se observó una disminución para CO2. La importancia de estos resultados radica en el sustento técnico que le dan a la alternativa de la reconversión de vehículos a gas natural, es necesario desarrollar este tipo de estudios antes de fomentar una reconversión masiva argumentando los beneficios ambientales que trae ésta.. Este estudio muestra que el gas natural como combustible en fuentes móviles solo trae beneficios ambientales en el caso de CO2. En el caso de HC y NOx el factor de emisión en lugar de disminuir aumenta. Teóricamente el gas natural es un combustible mas limpio, sin embargo los malos resultados de éste en términos de factores de emisiones pueden deberse a la forma en la cual se lleva a cabo la modificación de los motores, los cuales originalmente han sido diseñados para funcionar con gasolina.. En conclusión la conversión de vehículos a gas natural trae notables beneficios económicos a los usuarios, ya que el costo de operar el vehículo con gas natural es menor que operarlo con gasolina, sin embargo es necesario diferenciar los beneficios económicos de los ambientales y tener claridad en los argumentos utilizados para. Página 34 de 38.

(40) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. fomentar la conversión de los vehículos. El uso del gas natural, actualmente, no tiene beneficios ambientales.. Una de las variables escogidas para determinar las categorías vehiculares fue la presencia de tecnología de control de emisiones. Las categorías vehiculares que cuentan con este tipo de tecnología obtuvieron factores de emisión menores en la mayoría de los monitoreos. En el análisis de los porcentajes de reducción por uso de convertidor catalítico se calcularon porcentajes de reducción inclusive mayores al 80 % para el caso de HC y NOx.. Es importante señalar que la implementación de estas tecnologías solo es posible si el combustible es de buena calidad, afortunadamente la gasolina en Colombia no contiene plomo y esto permite la implementación de estas tecnologías adicionales para contribuir a la disminución de los factores de emisión.. En Colombia se reglamentó la implementación del convertidor catalítico para todos los vehículos modelo 1998 o posteriores, sin embargo esta medida solo se cumple cuando los vehículos ingresan al país, una vez aquí no e xiste ningún tipo de control para verificar que los vehículos permanezcan operando con dicho convertidor.. Otra de las variables escogidas para la determinación de las categorías vehiculares fue el tamaño del motor de los vehículos o cilindraje. Esta variable tiene una buena correlación con el factor de emisión de CO2, al aumentar el tamaño del motor se Página 35 de 38.

(41) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. aumenta el factor de emisión de CO2. Sin embargo para los otros contaminantes monitoreados (CO, HC y NO x) la correlación no es directa, dicha variable siempre esta matizada por la antigüedad del vehículo. Por ejemplo entre una camioneta y un automóvil antiguos, la camioneta tendrá por lo general un factor de emisión mayor de CO, sin embargo si la camioneta es menos antigua que el automóvil el resultado puede cambiar.. Con la base de datos desarrollada para este trabajo se deben hacer análisis mas detallados de las correlaciones existentes entre todas las variables monitoreadas y los factores de emisión calculados para cada categoría vehicular. Se deben realizar análisis comparativos de las pruebas realizadas con arranque frió y con arranque caliente. También se debe analizar el comportamiento de los factores de emisión durante toda la prueba y determinar si existe alguna correlación con la velocidad de conducción.. Página 36 de 38.

(42) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. 7. REFERENCIAS Behrentz E., 2005. Estimation of pollutant and greenhouse gas emission for mobile sources in Bogotá. Advanced institute on urbanization, emissions and the global carbon cycle. The global change system for analysis, research and training (START). Behrentz E., 2005. Measurements of nitrous oxide emissions from light-duty motor vehicles: Analysis of important variables and implications for California’s greenhouse gas emissions inventory. University of California. Los Angeles. Giraldo L. Estimación del inventario de emisiones de fuentes móviles para la ciudad de Bogotá e identificación de variables pertinentes. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Universidad de los Andes. 2005. Harley R., 1999. A fuel-based inventory of motor vehicle exhaust emissions in the Los Angeles area during summer 1997. Departament of civil an environmental Engineering. University of California. Herrera D. Modelo de emisiones vehiculares para la ciudad de Bogotá (EVB). Departamento de ingeniería Civil y Ambiental. Universidad de los Andes. 2007 Lentz J. 2005. Measurement of In-use passenger vehicle emissions in three urban areas of developing nations. Disponible en: http://www.issrc.org/ Qiao F.,2006. On-road vehicle emissions in Bejing, China: An experimental study using PEMS. Departament of Transportation Studies, Texas Southern University. Houston, Texas. Reynolds A., 2000. Development of an emissions inventory model for mobile sources. Departament of Civil, Structural and Environmental Engineering. Trinity College. Dublin, Ireland. Singer B., 1996. A Fuel-based Motor vehicle emissions inventory. Departament of Civil and Environmental Engineering. University of California. Stedman D., 2002. An on road motor vehicle emissions inventory for Denver: an efficient altermative to modelling. Departament of Chemistry and Biochemistry. University o f Denver. Zarate E. Understanding the origins and fate o fair pollution in Bogotá, Colombia. Swiss Federal Institute of technology Lausanne. School of Architecture, Civil and Environmental Engineering. Environmental Sciences and Engineering Section.. Página 37 de 38.

(43) Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. IAMB 2007 1012. AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a Eduardo Behrentz, mi asesor de tesis, por la confianza que siempre me transmitió hacia las cosas que debía realizar y aprender, por la oportunidad que me dio al hacerme parte de este proyecto, por su paciencia y por todos los conocimientos transmitidos. A mis padres y a mis hermanas por el apoyo que siempre me han brindado, no solo en este proyecto si no en todas las cosas que he emprendido en mi vida. A mis compañeros de estudio y de trabajo por enseñarme el valor de trabajar en equipo y por la paciencia que tuvieron mientras todos aprendíamos del proceso. A Juan Guillermo por hacer parte de todas las cosas buenas que pasan en mi vida.. Página 38 de 38.

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