Estudio de la Calidad del Aire en Escenarios de Variación de Emisiones de Contaminantes Fotoquímicos en la Zona Cali - Yumbo

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1 Estudio de la Calidad del Aire en Escenarios de Variación de Emisiones de Contaminantes Fotoquímicos en la Zona Cali - Yumbo Andrés Felipe Villanueva Viveros Aspirante al titulo de: Ingeniero Industrial afvillanueva@puj.edu.co Laura Zuluaga Jaramillo Aspirante al titulo de: Ingeniero Industrial lauraz@puj.edu.co Este documento presenta los aspectos más importantes del Trabajo de Grado: Estudio de la Calidad del Aire en Escenarios de Variación de Emisiones de Contaminantes Fotoquímicos en la Zona Cali Yumbo. Los resultados obtenidos permiten observar el porcentaje de variación de las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno) y COV s (compuestos orgánicos volátiles), principales contribuyentes en la formación de ozono, para a partir de estos evaluar la variación porcentual, en cuanto a generación de ozono se refiere en la zona de Cali-Yumbo. Se proponen entonces una serie de escenarios de variación que permiten tener una mejor perspectiva de las diferentes posibilidades que se pueden presentar en cuanto a la generación de ozono troposférico en la zona de Cali-Yumbo, dentro de un rango determinado de tiempo. This document presents the most important aspects about the project: "Study of the quality of the air in variation environments of emissions of pollution on Cali and Yumbo". The results obtained in the project present below let to see the variation of emissions of Nox (Nitrogen Oxide) and COV s (Organic compuestos volátiles), which are the principal origin of the formation of ozone, in order to calculate the percentile variation about the generation of ozone. The project proposes some kind of scenarios of variation which lets them have a better perspective of different possibilities that it can present about ozone troposphere generation in Cali - Yumbo in a determinate sequence of time. Key Words: NOx, COV`s, scenarios, ozone troposphere, primary pollution. 0. INTRODUCCION Uno de los problemas que más a preocupado es el de la calidad del aire, esto ha venido generando la utilización de un nuevo tipo de combustibles: los combustibles alternativos que ofrecen cada vez más beneficios relacionados con la disminución de emisión de contaminantes fotoquímicos, que producen el ozono troposférico, uno de los contaminantes más perjudiciales para los seres vivos. Cali, Junio-2005

2 ANDRÉS FELIPE VILLANUEVA V, LAURA ZULUAGA J En Colombia se han venido generando nuevos proyectos en el sector vehicular no sólo relacionados con la utilización de estos nuevos combustibles, sino la implementación de nuevas medidas que permitan una reducción del parque automotor que es uno de los principales factores contaminantes. En la actualidad la ciudad de Cali, no cuenta con un estudio relacionado con el tema tratado en este Trabajo de Grado; es de gran importancia tener una base como la expuesta que permita conocer la influencia del sistema vehicular en la calidad del aire. 1. CALIDAD DEL AIRE Una de las fuentes que más genera los contaminantes primarios son las fuentes móviles que son esencialmente los vehículos que circulan por la ciudad. Los combustibles que se usan para su movilización, al ser quemados, o por efectos de evaporización debido a las altas temperaturas emiten contaminantes primarios que al ponerse en contacto con factores fotoquímicos producen contaminantes secundarios como el O 3. Los niveles del ozono varían a lo largo del día, dependiendo del tráfico, la actividad industrial y la intensidad de la luz solar, en promedio los niveles más altos de ozono se presentan cerca del medio día, cuando la actividad solar y la presencia de COV`s son las más altas. 2. SECTORES PRODUCTIVOS: ANÁLISIS Y PERSPECTIVAS Hoy en día el transporte es el principal consumidor de energías provenientes del petróleo. Teniendo esto y que cada vez más existe un aumento del parque automotor para satisfacer los requerimientos de movilidad en las ciudades, se obtiene como resultado un aumento en la demanda de combustibles y por ende de contaminación atmosférica. Los tres sectores seleccionados para el estudio son: Utilización de Combustibles Convencionales y Alternativos, Almacenamiento y Distribución de Combustibles y Sistema de Tránsito y Transporte y sus Modificaciones. Utilización de Combustibles Convencionales y Alternativos En este sector se esta observando una dieselización del parque automotor en la región, esto se debe a que el precio del diesel con respecto a la gasolina se ha vuelto más favorable debido en parte posee un fuerte subsidio (el cual finalizara en el 2006) que y su consumo ha aumentado, sin embargo en la actualidad las refinerías Colombianas no tienen la capacidad suficiente para soportar la demanda. [1] Además de los combustibles convencionales (gasolina y diesel), se tuvo en cuenta el GNV (gas natural vehicular) como combustible alternativo, por ser el combustible de este tipo más utilizado en la actualidad y el alcohol carburante, por disposición del gobierno. De acuerdo a las investigaciones realizadas se encontró que el GNV aporta una reducción de COV s en un 87% y de NOx en un Mientras que el Alcohol Carburante se presenta una reducción del 2 tanto de NOx como de COV`s.[2][3] Almacenamiento y Distribución de Combustibles. El gobierno solo genera presión y regula las emisiones que se producen en las refinerías y en los poliductos, faltan leyes que regulen las emisiones de contaminantes que son generadas en las estaciones y en las bombas de servicio. Al estar este sector estrechamente relacionado con el sector de consumo de combustibles se analizaron los dos sectores juntos. Cali, Julio

3 ESTUDIO DE LA CALIDAD DEL AIRE EN ESCENARIOS DE VARIACIÓN DE EMISIONES DE CONTAMINANTES FOTOQUÍMICOS EN LA ZONA CALI - YUMBO Sistema de Tránsito y Transporte y sus Modificaciones. Para este sector se tuvo en cuenta la implementación del MIO, y las reducciones que este traerá en las emisiones de contaminantes. Según investigaciones realizadas por Metro Cali S.A. las emisiones de NOx se reducirán en un 32% y el COV`s en un 8%. Estos datos brindados por Metro Cali, son generales, puesto que no se ha definido el tipo de combustible a utilizar. Estos porcentajes de reducción brindados por Metrocali tienen en cuenta que el MIO (Masivo Integrado de Occidente) sustituirá parte del transporte público de la ciudad.[4] Escenarios Propuestos Se plante a 2 escenarios. El escenario Status Quo contempla los precios relativos de la gasolina y diesel a seguir manteniendo su diferencial. El escenario Ajuste de Precios se plantea una nivelación de precios al productor de gasolina y diesel, el cual busca que a mediados del 2005 la gasolina sea 14% más cara que el diesel; de aquí en adelante se mantendrá esta diferencia. Dentro de estos dos escenarios propuestos, se analizarán tres posibles casos, suponiendo en cada uno que el MIO esta en funcionamiento y aporta a la reducción de contaminantes en la región. Caso 1. El consumo de gasolina y diesel continúa incrementándose a la tasa que se observa entre los 1979 y Caso 2. El consumo de gasolina y diesel se ve reducido debido a la implementación de la gasolina con alcohol carburante. Caso 3. Se genera una disminución de consumo de gasolina y diesel gracias a un impulso agresivo del GNV; sustituyendo en un 4 la gasolina y un 6 el diesel medido en BPDC [Barriles por Día Calendario]. En este caso se incluye el Alcohol Carburante. 3. MODELACIÓN DE ESCENARIOS Y METODOLOGÍA El modelo usado para el desarrollo del estudio fue el modelo OZIP. El programa ayuda a determinar la calidad del aire por medio de simulaciones de procesos físicos y químicos ocurridos en la troposfera a través de un modelo de trayectorias. Básicamente el modelo trabaja con una columna de aire de mezcla perfecta que va desde la superficie hasta la capa de mezcla. Esta columna se mueve con el vector de la velocidad del viento, verticalmente puede cambiar su tamaño dependiendo de la altura de mezcla, que a su vez obedece a las condiciones meteorológicas, en cambio la columna horizontalmente no cambia de forma. Las emisiones de contaminantes de la superficie se incluyen en la columna a medida que este realiza su recorrido, para mezclarse uniformemente con los contaminantes que ya contiene, y así determinar la cantidad de ozono que se produce a causa de las emisiones de contaminantes primarios. [5] Análisis de Emisiones Para el siguiente estudio se realizó una simplificación del modelo, No se tuvo en cuenta el precario sistema vial de la zona metropolitana Cali-Yumbo, los diversos modelos y las diferentes velocidades que manejan los vehículos. Por lo cual se decidió tomar como modelo base el parque automotor analizado en el estudio de Inventario de Emisiones de Contaminantes Atmosféricos Convencionales realizado por el grupo de Producción Más Limpia; este parque automotor corresponde al año del Y los niveles totales de emisiones vehiculares se basados en el inventario de emisiones para 1997.[6][7] Cali, Julio

4 ANDRÉS FELIPE VILLANUEVA V, LAURA ZULUAGA J A continuación se exponen los resultados de las emisiones de NO x y COV`s en los escenarios Status Quo y Ajuste de Precios, teniendo en cuenta los tres casos propuestos. Graficas de Emisiones en el escenario Status Quo. porcentaje de variación variación de emisiones de NOx en Status Quo caso 1 caso 2 caso 3 Gráfica 2.0 Variación de emisiones de NOx en Status Quo. Gráfica 3.0 Variación de emisiones de COV`s en Status Quo Como se puede observar tanto el NOx como el COV`s presentan una disminución en su porcentaje de variación en el año 2005 con respeto al año 1997 debido a que en el 97 hubo mayor consumo de gasolina y diesel, y por ende una mayor contaminación y no se tenia en cuenta el MIO. Al ser el NOx y el COV`s contaminantes primarios su comportamiento depende principalmente del consumo de combustible, el comportamiento es muy parecido y casi lineal a través de los. El caso 1 (tanto en porcentaje de variación de NOx como en COV`s), tiene una razón de cambio mucho mayor que los otros dos casos), esto se debe a que la gasolina y el diesel generan mucho más contaminantes. En el caso 2 y 3 con la incursión del alcohol Carburante y el gas natural, se produce una disminución en la razón de crecimiento pues la utilización de estos dos combustibles conlleva una reducción de COV`s y NOx. Graficas de Emisiones en el escenario Ajuste de Precios. variación variación variación de emisiones de COV s en Status Quo caso 1 caso 2 caso3 Prorcentaje de variación de emisiones de NOx en Ajuste de Precios caso 1 caso 2 caso 3 Gráfica 4.0 Variación de emisiones de NOx en Ajuste de Precios Cali, Julio

5 ESTUDIO DE LA CALIDAD DEL AIRE EN ESCENARIOS DE VARIACIÓN DE EMISIONES DE CONTAMINANTES FOTOQUÍMICOS EN LA ZONA CALI - YUMBO variación Porcentajes de variación de COV s en Ajuste de Precios caso 1 caso 2 caso 3 Gráfica 5.0 Variación de COV`s en Ajuste de Precios En las graficas de Ajuste de Precios al analizar el precio del combustible que sé esta consumiendo y no el tipo de combustible que sé este utilizando, se observa que los porcentajes de variación de contaminantes en Ajuste de Precios son menores que los del escenario de Status Quo. De todas formas las graficas siguen teniendo un comportamiento lineal y se siguen manteniendo el nivel de contaminación según el caso, siendo el caso 3 el menos contaminante y el caso 1 el más contaminante. Análisis Económico de los Escenarios. Este análisis económico tratará el tema de la generación de los costos del consumo de combustible y la inversión del MIO en que incurre la región al presentarse algunos de los escenarios propuestos. Para esto se tomo como base el hecho de que al comenzar el año 2005 el precio de la gasolina sea equivalente a $6400 por galón, que el porcentaje estimado de crecimiento sería de un 17% año y la relación porcentual de precios de la gasolina, diesel y GNV son los presentados en el año En el caso del Alcohol Carburante de acuerdo a las leyes expuestas sobre este combustible su precio se mantendrá igual que el precio de la gasolina sin alcohol. El costo estimado para la construcción del MIO es de aproximadamente 445 millones de dólares. Se tomo para el análisis económico el 3 de este valor, el cual va a ser aportado por la región esto equivale a $ pesos Colombianos. A partir de estos datos se calculo el costo de consumo de combustible por año de acuerdo a cada escenario propuesto. Los resultados se muestran en la Gráfica 6.0 y 7.0. Variación Costo Porcentual P royecciones de Costo en elescenario Status Quo por año caso 1 caso 2 caso 3 Gráfica 6.0 Proyecciones Porcentuales de Costos en el Escenario Status Quo. Cali, Julio

6 ANDRÉS FELIPE VILLANUEVA V, LAURA ZULUAGA J Variación Costo Porcentual -50 % % -150 % P royección de Costo en elescenario Ajuste de P recios por año Caso 1 caso2 caso3 Gráfica 7.0 Proyecciones Porcentuales de Costos en el Escenario Ajuste de Precios Las dos graficas presentan un pico en el 2005 debido a que en el presente estudio se plantea que el MIO ya esta en funcionamiento, por lo cual en esta año decidimos situar los costos de la construcción del MIO. Para los dos escenarios de puede observar que en cuanto a costos ningún caso presenta una diferencia considerable de uno con respecto al otro, la máxima diferencia porcentual entre casos se presenta en el ultimo año (2018). En cuanto a la diferencia entre escenarios se observa que el Ajuste de Precios genera más costos que el Status Quo en 14.3% en el caso 2 y 3, y un 14.5% para el caso 1, en el año Cálculo de la generación de ozono. A partir de la variación de NOx y COV`s respecto a los niveles calculados para 1997 se corrió el modelo OZIP para determinar la variación en el máximo de ozono relativo a los valores correspondientes a ese año. Variación Ozono en Status Quo CASO 1 CASO 2 CASO 3 Lineal (CASO 1) Lineal (CASO 2) Lineal (CASO 3) Gráfica 6.0 Variación del Ozono en Status Quo 15 Ozono en Ajuste de Precios Variación 10 5 CASO 1 CASO 2 CASO 3 Lineal (CASO 1) Lineal (CASO 2) Lineal (CASO 3) Gráfica 7.0 Variación del Ozono en Ajuste de Precios Cali, Julio

7 ESTUDIO DE LA CALIDAD DEL AIRE EN ESCENARIOS DE VARIACIÓN DE EMISIONES DE CONTAMINANTES FOTOQUÍMICOS EN LA ZONA CALI - YUMBO Podemos observar en los dos escenarios que la variación del ozono se comporta de una forma lineal, pero en tramos muy cortos, esto es debido a la relación NOx/COV s que Cuadro 1.0 Cálculo de Error. Valor Teórico Valor Real Error Absoluto Parque Automotor (vehículos) % Precio de la Gasolina (Pesos por galón) $ $ % Crecimiento Porcentual del Precio de la Gasolina 17% 16% 6% Diferencia Porcentual del precio de la Gasolina vs. Precio del Diesel 14% 3 53% Diferencia Porcentual del precio del Gas Natural vs. Precio del Diesel 10,46% 40,25% 74% Promedio 32% Inversión Construcción MIO $ $ % Promedio Total (con MIO) 912% ocasiona una transición brusca a las gráficas de ozono, formando unos picos para los tres casos. Al pasar los la tendencia es una disminución del ozono para el caso 1 y caso 2, teniendo una mayor razón de cambio el caso 1 en los dos escenarios de variación. En el caso 3 en el escenario Status Quo la generación de ozono es muy similar en los 13 de estudio, mientras que en el escenario de Ajuste de Precios va aumentando de manera suave. El escenario Status Quo es mejor frente al escenario de Ajuste de Precios en cuanto a la disminución de ozono, aunque en la generación de emisiones de COV`s Y NOx sea todo lo contrario. Análisis de las Limitaciones del Estudio Ambiental y Económico Se debe tener presente que los resultados del estudio no presentan un pronóstico exacto sobre las emisiones y costos del 2005 hasta el 2018, lo que se busca es comparar los comportamientos entre escenarios y ver cual es el más viable con respecto a los demás en cuanto a emisiones y costos incurridos. De igual forma el modelo presenta limitantes para trabajar con los escenarios y esto conlleva a que haya presente un error que no se puede calcular de forma directa debido a que no hay un estudio igual en Cali con el cual podamos comparar resultados. Por esta razón se ha decidido analizar los datos de entrada del modelo y verificarlos con los datos actuales (2005) que se manejan en la región. Los cálculos del porcentaje de error se pueden observar en el siguiente cuadro. Según los resultados obtenidos en el Cuadro 1.0 el error porcentual de los datos de entrada para llevar a cabo la modelación de los escenarios es de un 32% sin contar con el porcentaje de error generado por la inversión en la construcción del MIO, debido a que actualmente el MIO no se encuentra en funcionamiento. 4. CONCLUSIONES De acuerdo a la revisión de la cuantificación atmosférica que se realizó a cada uno de los sectores analizados en este trabajo, se pudo observar que el sector que más aporta a la reducción de emisiones de contaminantes primarios es el sector de consumo de combustibles, principalmente el gas natural es uno de los que más aporta en estas reducciones pues disminuye los COV s en un 87% y los NOx de un 50 a un 8. Debe tenerse en cuenta que el comportamiento del ozono troposférico depende de la relación NOx/COV s, debido a que un aumento de la relación ocasionara una disminución del Cali, Julio

8 ANDRÉS FELIPE VILLANUEVA V, LAURA ZULUAGA J ozono, del mismo modo si se mantiene el NOx constante y hay una aumento de los COV s se producirá un aumento de la generación de ozono. De acuerdo a esto se pudo observar que el caso 3 es el que más aporta ozono troposférico a la región siendo mayor en el Ajuste de Precios puesto que la relación NOx/ COV`s aumenta muy poco a través de los analizados, trayendo consigo una disminución de la calidad del Aire. De acuerdo al análisis sobre el uso de combustibles realizado en este estudio se puede entender porque el Estado Colombiano esta impulsando el consumo de combustibles alternativos, y no solo por el hecho de que ayuden al medio ambiente, sino porque si se logra que las personas los utilicen se reduciría la demanda de los combustibles convencionales, evitando que un futuro se deba aumentar las importaciones de combustible lo cual generaría grandes gastos para el país. Además con el manejo de combustibles alternativos se aprovecharía recursos naturales no tan explotados como el gas natural y con la implementación del alcohol carburante se auxiliaría financieramente a grandes industrias como los ingenios azucareros. Según el estudio económico se puede observar que no se presentan diferencias significativas en cuanto a los costos incurridos en cada uno de los escenarios propuestos, pues a medida que se analizan los combustibles en cada uno de los casos el consumo total sigue guardando su equivalencia a si la diferencia porcentual del precio entre un combustible y otro disminuya. REFERENCIAS 1. UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA (UPME). Estudio Impactos Técnicos, Económicos y Ambientales de la Dieselización del Parque Automotor en Colombia y posibles soluciones. Bogotá D.C, septiembre ASOCAÑA. Alcohol un Futuro para el País WALS, Michael. KOLKE, Reinhard. Modulo 4ª Combustibles y Tecnologías Vehiculares Más Limpios. Eschborn, Alemania: Manfred Breithaupt, METRO CALI S.A. Sistema Integrado de Transporte Masivo. Cali. Mayo de PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA. GRUPO PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA. Modelación Fotoquímica del Ozono en Cali-Yumbo. Cali: JARAMILLO, Mauricio. NUÑEZ Maria Eugenia. OCAMPO William. PEREZ Diego. PORTILLA Gloria. Inventario de Emisiones de Contaminantes Atmosféricos Convencionales en la Zona Metropolitana de Cali-Yumbo (2004). Revista Facultad Universidad de Antioquia, No 31, Junio de 2004, pp ISSN JARAMILLO, Mauricio. NUÑEZ Maria Eugenia. OCAMPO William. PEREZ Diego. PORTILLA Gloria. Emisiones de Contaminantes Atmosféricos Convencionales por Fuentes Móviles en el Sector Urbano de Cali (2003). Epiciclos, Vol 2 No.1, noviembre de 2003, pp Cali, Julio