Estimación de Emisiones de Fuentes de la Calidad del Aire
6.2 Estimación de emisiones de fuentes móviles en ruta
6.2.5 El Modelo Internacional de Emisiones de Vehículos
6.2.5.1 Introducción
El modelo internacional de emisiones vehiculares, o modelo IVE por sus siglas en inglés, así como también el modelo MOVES de la EPA toman una partida radical en su enfoque para realizar estimación de emisiones para fuentes móviles en ruta en comparación con los modelos MOBILE, EMFAC y modelos europeos. Como se ha notado en la sección previa, los modelos más actualizados dependen de patrones de conducción fijos para realizar sus cálculos y luego hacer ajustes aproximados basados en velocidades en ruta. Ambos modelos IVE y MOVES permiten que información acerca de la conducción sea cargada directamente al modelo y los cálculos de emisiones se hacen basados en parámetros de esas variables de conducción específicas. Los parámetros de conducción pueden ser ingresados en una resolución diaria u horaria, permitiendo cálculos de emisiones específicos por hora o para una ruta específica de modo de mejorar los esfuerzos de modelación atmosférica.
6.2.5.2 Teoría de Operación del Modelo
Una observación importante realizada por la EPA de los Estados Unidos, ISSCR, UCR y otros investigadores a comienzos y mediados de los años 90, es que existe una relación cercana entre la demanda de potencia (energía/seg) de un vehículo y las emisiones que éste produce. Esta es una conclusión lógica a la luz de la química de combustión. La ley de conservación de energía requiere que un vehículo queme combustible en la misma proporción que la demanda energética del vehículo. De esta forma, al tener una mayor demanda de energía, más combustible se consume. Como se ha discutido con 6.2.5-1 (visto en la sección anterior), a mayor uso de combustible, mayores cantidades de otros contaminantes se formarán si la razón aire/combustible y otras variables de impacto sobre las emisiones se mantienen.
Existen dos formas de incorporar el uso de combustible o la demanda de potencia en los modelos de emisión vehicular. El primer método es un modelo de emisión deductivo (top-down), basado en combustible, el cual relaciona las emisiones con la cantidad de combustible utilizado. En lugar de gramos/distancia recorrida, este método produce un factor de emisión en gramos/combustible consumido. Entonces, existe la confianza de estimar correctamente tanto el factor de emisión como la actividad (considerando el uso total de combustible). Si bien este es un enfoque bastante útil, existen algunas limitaciones en un modelo de emisiones basadas en combustible. Estas pueden incluir dificultades en la consideración de otros parámetros (no basados en combustible) que pueden afectar las emisiones, así como también la incertidumbre al estimar el total de combustible utilizado en aplicaciones vehiculares. Un segundo enfoque es el desarrollar un modelo físico inductivo (bottom –up) que pronostique las emisiones en función de la potencia del motor y uso de combustible para un vehículo especifico. Este es un método excelente para tomar en cuenta las variaciones en las emisiones como una función de varios parámetros, incluyendo el uso de combustible. El modelo CMEM es un ejemplo de modelo que utiliza este enfoque. Sin embargo, la desventaja de utilizar un modelo como el CMEM para aplicaciones a escala regional es la amplia cantidad de datos de entrada que se requieren. Un enfoque híbrido de estos métodos es utilizar el consumo de combustible como un parámetro de cómo varían las emisiones cuando la operación del vehículo cambia. Lo anterior es similar al enfoque de los modelos IVE y MOVES, como se describe en esta sección.
Una manera útil de estimar el uso de combustible es a través de la medición de la potencia específica del vehículo. La figura 6.2.5-2 muestra el impacto de la demanda de potencia sobre las emisiones de CO2 y CO del vehículo. El eje X muestra una aproximación de la potencia específica del vehículo y el eje Y muestra la tasa de emisiones en gramos/seg. Un valor negativo para la potencia específica del vehículo corresponde a la desaceleración del vehículo.
Como se podría esperar, las emisiones de CO2 cambian de forma relativamente lineal con respecto a la demanda de potencia y uso de combustible. De otro modo, las emisiones de CO muestran un cambio mucho mayor en sus tasas de emisión en relación a la demanda de potencia. La razón de esta mayor sensibilidad en el CO se debe a que la mezcla de aire/combustible en el motor cambia en un grado a medida que los vehículos aceleran o desaceleran especialmente en el caso de grandes cambios. Las emisiones de CO2 aumentan en un factor de 12 desde el estado estático hasta la demanda máxima de potencia, mientras que las emisiones de CO cambian en un factor de 250 desde el estado estático hasta la máxima demanda de potencia para un vehículo controlado por catalizador. Para ambos contaminantes, la forma en que un vehículo es operado tendrá un impacto significativo en las emisiones resultantes.
El modelo IVE estima emisiones tomando la fracción de tiempo que un vehículo gasta en cada una de las 60 fracciones de demanda de potencia y multiplicando esta fracción por un factor de ajuste de emisiones. Luego, las 60 multiplicaciones son sumadas creando un factor de corrección promedio para ese patrón de conducción. Los factores de ajuste de emisiones para cada fracción se basan en datos de prueba. Sin embargo, todos los factores de ajuste actuales en el modelo se normalizan multiplicando las tasas de emisión por una constante de manera que si la porción de marcha caliente del patrón de conducción FTP se utiliza con los factores de ajuste, producirá un factor global de corrección igual a uno.
La ecuación 6.2.5-3 indica el proceso de cálculo para producir un factor de corrección de conducción para el modelo IVE.
En este caso, KP[t] = factor de corrección global de conducción para la tecnología t, Cb[t] = Ajuste de corrección de conducción para la fracción de potencia b y tecnología t, Fb = fracción de tiempo en que el vehículo conduce en la fracción de potencia b. La suma es desde la fracción 0 a la fracción 59.
La estimación de emisiones se ajusta con mayor profundidad en el modelo IVE basándose en factores de operación de otros vehículos que tienen impacto sobre las emisiones tales como la altura, temperatura ambiente, calidad del combustible y tales. Los ajustes de emisiones apropiadas para un vehículo se determinan basándose en sus factores de operación y su potencial interacción. La figura 6.2.5-4 ilustra el flujo de cálculo para el modelo IVE.
La ecuación 6.2.5-3 presenta la equivalencia matemática para el cálculo de la tasa de emisión base ajustada representada por las cajas de color azul en 6.2.5-4.
En este caso, el subíndice “t” se refiere a la tecnología del vehículo y el número en el subíndice se refiere a los variados factores de ajuste como se describe en la tabla 6.2.5-6. B[t] hace referencia a la tasa de emisión base en el modelo tanto para emisiones de partida como para emisiones en marcha. Kp[t] hace referencia al factor de ajuste determinado a partir de las estadísticas de demanda de potencia mostradas en la ecuación 6.2.5-3. En el caso de emisiones de partida, Kp[t] = 1 debido a que no existe un ajuste de conducción.
Una vez que se determina el factor de emisión base ajustado (Q[t]) para cada tecnología de interés, entonces las emisiones de partida y marcha para la flota pueden ser calculadas como se muestra en 6.2.5-7 y 6.2.5-8.
Una descripción de las variables en las ecuaciones 6.2.5-7 y 6.2.5-8 puede ser encontrada en la tabla 6.2.5-9.
Qmarcha y Q partida pueden ser calculados para cada hora del día y para cada tipo de ruta a ser evaluada. El modelo IVE permite que todas estas posibilidades sean realizadas a la vez y que puedan ser evaluadas independientemente.
La información requerida por el modelo IVE para distribuciones de tecnología en flotas es suministrada al modelo a través de lo que se denomina un Archivo de Flota. Este puede ser entregado al modelo como un archivo de texto delimitado por tabulaciones. La información que necesita el modelo IVE para una ubicación en particular se entrega al modelo en lo que se denomina un Archivo de Ubicación. Este archivo también puede ser ingresado como un archivo delimitado por tabulaciones. El modelo puede hacer uso de cientos de archivos de flota y cientos de archivos de ubicación permitiendo una flexibilidad considerable. La creación de archivos de flota y ubicación puede ser compleja. Se recomienda al lector referirse al Manual del Usuario del Modelo IVE para mayor discusión. El modelo puede ser descargado de forma gratuita desde el sitio web http://www.issrc.org/ive junto con el manual del usuario. La interfaz del modelo IVE incluye ahora los idiomas Chino, Inglés, Ruso y Español.
El modelo internacional de emisiones vehiculares, o modelo IVE por sus siglas en inglés, así como también el modelo MOVES de la EPA toman una partida radical en su enfoque para realizar estimación de emisiones para fuentes móviles en ruta en comparación con los modelos MOBILE, EMFAC y modelos europeos. Como se ha notado en la sección previa, los modelos más actualizados dependen de patrones de conducción fijos para realizar sus cálculos y luego hacer ajustes aproximados basados en velocidades en ruta. Ambos modelos IVE y MOVES permiten que información acerca de la conducción sea cargada directamente al modelo y los cálculos de emisiones se hacen basados en parámetros de esas variables de conducción específicas. Los parámetros de conducción pueden ser ingresados en una resolución diaria u horaria, permitiendo cálculos de emisiones específicos por hora o para una ruta específica de modo de mejorar los esfuerzos de modelación atmosférica.
6.2.5.2 Teoría de Operación del Modelo
Una observación importante realizada por la EPA de los Estados Unidos, ISSCR, UCR y otros investigadores a comienzos y mediados de los años 90, es que existe una relación cercana entre la demanda de potencia (energía/seg) de un vehículo y las emisiones que éste produce. Esta es una conclusión lógica a la luz de la química de combustión. La ley de conservación de energía requiere que un vehículo queme combustible en la misma proporción que la demanda energética del vehículo. De esta forma, al tener una mayor demanda de energía, más combustible se consume. Como se ha discutido con 6.2.5-1 (visto en la sección anterior), a mayor uso de combustible, mayores cantidades de otros contaminantes se formarán si la razón aire/combustible y otras variables de impacto sobre las emisiones se mantienen.
Existen dos formas de incorporar el uso de combustible o la demanda de potencia en los modelos de emisión vehicular. El primer método es un modelo de emisión deductivo (top-down), basado en combustible, el cual relaciona las emisiones con la cantidad de combustible utilizado. En lugar de gramos/distancia recorrida, este método produce un factor de emisión en gramos/combustible consumido. Entonces, existe la confianza de estimar correctamente tanto el factor de emisión como la actividad (considerando el uso total de combustible). Si bien este es un enfoque bastante útil, existen algunas limitaciones en un modelo de emisiones basadas en combustible. Estas pueden incluir dificultades en la consideración de otros parámetros (no basados en combustible) que pueden afectar las emisiones, así como también la incertidumbre al estimar el total de combustible utilizado en aplicaciones vehiculares. Un segundo enfoque es el desarrollar un modelo físico inductivo (bottom –up) que pronostique las emisiones en función de la potencia del motor y uso de combustible para un vehículo especifico. Este es un método excelente para tomar en cuenta las variaciones en las emisiones como una función de varios parámetros, incluyendo el uso de combustible. El modelo CMEM es un ejemplo de modelo que utiliza este enfoque. Sin embargo, la desventaja de utilizar un modelo como el CMEM para aplicaciones a escala regional es la amplia cantidad de datos de entrada que se requieren. Un enfoque híbrido de estos métodos es utilizar el consumo de combustible como un parámetro de cómo varían las emisiones cuando la operación del vehículo cambia. Lo anterior es similar al enfoque de los modelos IVE y MOVES, como se describe en esta sección.
Una manera útil de estimar el uso de combustible es a través de la medición de la potencia específica del vehículo. La figura 6.2.5-2 muestra el impacto de la demanda de potencia sobre las emisiones de CO2 y CO del vehículo. El eje X muestra una aproximación de la potencia específica del vehículo y el eje Y muestra la tasa de emisiones en gramos/seg. Un valor negativo para la potencia específica del vehículo corresponde a la desaceleración del vehículo.
Como se podría esperar, las emisiones de CO2 cambian de forma relativamente lineal con respecto a la demanda de potencia y uso de combustible. De otro modo, las emisiones de CO muestran un cambio mucho mayor en sus tasas de emisión en relación a la demanda de potencia. La razón de esta mayor sensibilidad en el CO se debe a que la mezcla de aire/combustible en el motor cambia en un grado a medida que los vehículos aceleran o desaceleran especialmente en el caso de grandes cambios. Las emisiones de CO2 aumentan en un factor de 12 desde el estado estático hasta la demanda máxima de potencia, mientras que las emisiones de CO cambian en un factor de 250 desde el estado estático hasta la máxima demanda de potencia para un vehículo controlado por catalizador. Para ambos contaminantes, la forma en que un vehículo es operado tendrá un impacto significativo en las emisiones resultantes.
El modelo IVE estima emisiones tomando la fracción de tiempo que un vehículo gasta en cada una de las 60 fracciones de demanda de potencia y multiplicando esta fracción por un factor de ajuste de emisiones. Luego, las 60 multiplicaciones son sumadas creando un factor de corrección promedio para ese patrón de conducción. Los factores de ajuste de emisiones para cada fracción se basan en datos de prueba. Sin embargo, todos los factores de ajuste actuales en el modelo se normalizan multiplicando las tasas de emisión por una constante de manera que si la porción de marcha caliente del patrón de conducción FTP se utiliza con los factores de ajuste, producirá un factor global de corrección igual a uno.
La ecuación 6.2.5-3 indica el proceso de cálculo para producir un factor de corrección de conducción para el modelo IVE.
En este caso, KP[t] = factor de corrección global de conducción para la tecnología t, Cb[t] = Ajuste de corrección de conducción para la fracción de potencia b y tecnología t, Fb = fracción de tiempo en que el vehículo conduce en la fracción de potencia b. La suma es desde la fracción 0 a la fracción 59.
La estimación de emisiones se ajusta con mayor profundidad en el modelo IVE basándose en factores de operación de otros vehículos que tienen impacto sobre las emisiones tales como la altura, temperatura ambiente, calidad del combustible y tales. Los ajustes de emisiones apropiadas para un vehículo se determinan basándose en sus factores de operación y su potencial interacción. La figura 6.2.5-4 ilustra el flujo de cálculo para el modelo IVE.
La ecuación 6.2.5-3 presenta la equivalencia matemática para el cálculo de la tasa de emisión base ajustada representada por las cajas de color azul en 6.2.5-4.
En este caso, el subíndice “t” se refiere a la tecnología del vehículo y el número en el subíndice se refiere a los variados factores de ajuste como se describe en la tabla 6.2.5-6. B[t] hace referencia a la tasa de emisión base en el modelo tanto para emisiones de partida como para emisiones en marcha. Kp[t] hace referencia al factor de ajuste determinado a partir de las estadísticas de demanda de potencia mostradas en la ecuación 6.2.5-3. En el caso de emisiones de partida, Kp[t] = 1 debido a que no existe un ajuste de conducción.
Una vez que se determina el factor de emisión base ajustado (Q[t]) para cada tecnología de interés, entonces las emisiones de partida y marcha para la flota pueden ser calculadas como se muestra en 6.2.5-7 y 6.2.5-8.
Una descripción de las variables en las ecuaciones 6.2.5-7 y 6.2.5-8 puede ser encontrada en la tabla 6.2.5-9.
Qmarcha y Q partida pueden ser calculados para cada hora del día y para cada tipo de ruta a ser evaluada. El modelo IVE permite que todas estas posibilidades sean realizadas a la vez y que puedan ser evaluadas independientemente.
La información requerida por el modelo IVE para distribuciones de tecnología en flotas es suministrada al modelo a través de lo que se denomina un Archivo de Flota. Este puede ser entregado al modelo como un archivo de texto delimitado por tabulaciones. La información que necesita el modelo IVE para una ubicación en particular se entrega al modelo en lo que se denomina un Archivo de Ubicación. Este archivo también puede ser ingresado como un archivo delimitado por tabulaciones. El modelo puede hacer uso de cientos de archivos de flota y cientos de archivos de ubicación permitiendo una flexibilidad considerable. La creación de archivos de flota y ubicación puede ser compleja. Se recomienda al lector referirse al Manual del Usuario del Modelo IVE para mayor discusión. El modelo puede ser descargado de forma gratuita desde el sitio web http://www.issrc.org/ive junto con el manual del usuario. La interfaz del modelo IVE incluye ahora los idiomas Chino, Inglés, Ruso y Español.
