Teoría del Inventario de Emisiones de Contaminantes Atmosféricos Generados por Aeropuertos.

Transcripción

1 Teoría del Inventario de Emisiones de Contaminantes Atmosféricos Generados por Aeropuertos. Introducción. En el contexto de un Inventario de Emisiones, el estudio de las emisiones de las aeronaves está centrado en aquellas etapas del vuelo correspondientes al denominado ciclo de aterrizaje y despegue o ciclo AD. El carreteo, que implica el movimiento de la aeronave en tierra desde la puerta de salida a la pista y viceversa, junto a la aproximación, el despegue y el ascenso, son las 5 maniobras o modos de operación a tener en cuenta, pues ocurren en la zona delimitada por el nivel del suelo y la altura definida por el límite superior de la capa de inversión o altura de mezcla. El espesor de la capa de inversión también se conoce con el nombre de zona de mezcla, pues el aire allí es completamente mezclado y los contaminantes emitidos en cualquier sitio dentro de la capa son eventualmente bajados al nivel del suelo. Los principales contaminantes que emiten las aeronaves dentro de la capa de inversión son: Gases orgánicos totales (TOG) Monóxido de carbono (CO) Óxidos de nitrógeno (NOx) Dióxido de azufre (SO2) Material particulado (PM) Gases orgánicos reactivos (ROG). Cuando la aeronave está sobre la capa de mezcla, sea durante el ascenso o el descenso, las emisiones tienden a dispersarse y no tienen efectos a nivel superficial, en cambio en la zona por debajo el aire se encuentra en un estado relativamente estable y las emisiones tienden a difundirse y quedar atrapadas por la inversión. Estas emisiones que ocurren y están sometidas a la mezcla que ocurre a nivel de la superficie terrestre debajo de la capa de inversión son las que tienen efectos sobre la calidad del aire y la salud de la población. Los cálculos de las emisiones para cada modo de operación se realizan en base a la duración del mismo, tiempo de operación o TIM (del inglés, "time in mode"). Este periodo de tiempo para cada operación depende de diferentes factores. La duración de la aproximación y del ascenso depende en gran

2 medida de la meteorología local; y dado que el TIM es la duración de la operación en la zona de modelado, el espesor de la capa de inversión determina el tiempo de permanencia de la aeronave en dicha zona. El decolage, caracterizado por la operación de los motores a máxima potencia, termina cuando el avión alcanza 150 a 300 metros sobre la superficie, la potencia de la turbina es reducida levemente y comienza el ascenso. Esta altura de transición es bastante estándar y no varía demasiado de un lugar a otro o de un tipo de avión a otro. Las emisiones debidas a aeronaves dependen en gran medida del porcentaje de máxima potencia a la que trabaja el motor en un tiempo dado. Sin embargo, el nivel de potencia es predecible a partir del modo específico de operación de la aeronave, y para los propósitos de un inventario de emisiones se consideran cinco modos de interés dentro del ciclo AD (Tabla I). Modo de operación Porcentaje de máxima potencia del motor Aproximación Carreteo y marcha en vacío en la llegada 3-7 Carreteo y marcha en vacío en la salida 3-7 Despegue 100 Ascenso Tabla 1. Potencia de operación del motor de las aeronaves durante las maniobras del ciclo de aterrizaje-despegue. Otro factor mencionado que afecta considerablemente las emisiones de las aeronaves es el tiempo de operación. El TIM para los modos de carreteo, durante la llegada o salida, depende del tamaño y del plan de vuelos del aeropuerto, la cantidad de tránsito o congestión de la pista, y de los procedimientos operacionales específicos de cada aeropuerto. El tiempo de carreteo es el más variable dentro del ciclo AD, puede variar significativamente en un mismo aeropuerto a lo largo del día y aun estacionalmente. El tipo de motor determina también la cantidad de cada tipo de contaminante que se emite durante las maniobras, así, en los jets o aviones con turbinas las emisiones de ROG constituyen el 84,4% de los TOG, mientras que en los aviones con motores de combustión interna, llegan a conformar el 96%.

3 Las aeronaves comerciales, en general, son responsables de la mayor parte de las emisiones contaminantes de la flota local. Sus emisiones representan un gran porcentaje de las emisiones totales debido al tamaño de las naves y la frecuencia de su operación. Las características de emisión de las aeronaves comerciales, que vuelan por todos los lugares del mundo, se suponen similares, por lo que los datos desarrollados en los Estados Unidos proveen estimaciones razonables para las naves que operan en aeropuertos de otros países. Objetivos. Estimar las emisiones de contaminantes provenientes de los motores de las aeronaves que operan en los aeropuertos existentes en el área en que se realiza un inventario de emisiones a la atmósfera. Metodologia. Las etapas a seguir para la estimación de las emisiones de aeronaves son básicamente las mismas para todas las clasificaciones de aeronaves que se realicen y todas las áreas de estudio, si bien ciertos factores propios de cada lugar deben ser considerados. Las etapas para realizar el inventario de emisiones de aeronaves son: 1. identificación de todos los aeropuertos a incluir en el inventario. 2. definición de la composición de la flotilla por categoría que opera en cada aeropuerto. 3. determinación de la altura de la capa de mezcla para ser aplicada al ciclo AD. 4. determinación de la actividad aeroportuaria en base al número de ADs para cada categoría de aeronave. 5. cálculo de las tasas de emisión a partir de índices de emisión y las tasas de flujo de combustible para cada categoría (datos que se obtienen de bibliografía especializada). 6. estimación del TIM para cada categoría de aeronave en cada aeropuerto. 7. cálculo de las emisiones en base a la actividad del aeropuerto, el TIM y los factores de emisión de las aeronaves. El número y tipo de motores de cada tipo de aeronave deben ser determinados con el fin de seleccionar los factores de emisión necesarios para el cálculo de los índices de emisión las tasas de emisión de flujo de combustible

4 masa de las emisiones. Muchas aeronaves usan un sólo modelo de motor, mientras algunas poseen 2 ó 3 modelos de diferentes fabricantes. En este caso puede ser muy complicado definir los datos de emisión de la combinación de motores usados en la flotilla que opera en el aeropuerto. Una vez identificados los motores de la flotilla, los factores de emisión de los motores se utilizan para la determinación de la masa de las emisiones. Pueden encontrarse tabuladas las tasas de flujo de combustible y los correspondientes índices de emisión, representativos de las potencias usadas durante los modos de operación. Finalmente, los índices de emisión multiplicados por las tasas de flujo de combustible permiten hallar la tasa de emisión, obteniendo resultados similares a los de la Tabla 2. El siguiente paso es especificar el TIM para cada tipo de aeronave. La estimación del TIM del decolage para cada aeronave comercial es bastante estándar, y por defecto es aproximadamente igual a 0,7min (42s) hasta alcanzar los 150 m sobre el suelo, excepto que se disponga de un valor más específico. El tiempo de aproximación y ascenso es dependiente de la altura de mezcla, que se asume en 900m por defecto y permite el cálculo de un tiempo de aproximación de 4 min y uno de ascenso de 2,2 min, que se emplean si no se dispone de información específica sobre la altura de mezcla. Si no se dispone de tiempos de carreteo para un aeropuerto particular existen valores por defecto de periodos de carreteo y de los otros modos de operación para distintas clasificaciones de aeronaves. En este caso, los valores alternativos fueron obtenidos antes de 1971 en aeropuertos grandes congestionados, y los periodos de carreteo de llegada y salida, en vistas a los cálculos del inventario, fueron unidos para obtener un tiempo total de modo carreteo.

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6 Tabla 2. Tasas de emisión de algunos modelos de motor de aeronaves civiles. Datos de ICAO Motor Exhaust Emisiones Databank. Fabricante de la serie/modelo modo potencia flujo de índice de emisión (kg/1000 kg de combustible) combustible (kg/min) TOG CO NO SO2 PM Despegue 100% JT8D-17R Ascenso 85% Pratt & Whitney. Aproximación 30% Carreteo 7% PW4152 Despegue 100% Pratt & Whitney Ascenso 85% Aproximación 30% emisiones basadas en el contenido de azufre promedio de los Estados Unidos, de Dickson et al, 1989.

7 Carreteo 7%

8 El paso final en el procedimiento es calcular las emisiones totales para cada tipo de avión y sumarlas para obtener la tasa de emisión de aeronaves comerciales. Inventario de Emisiones de Aeronaves en la Ciudad de Córdoba. En la Ciudad de Córdoba existen dos plataformas aeroportuarias de importancia, una civil, el Aeropuerto Internacional Córdoba y otra militar, correspondiente a la Escuela de Aviación Militar (EAM) y Fábrica Militar de Aviones de la Fuerza Aérea Argentina (FMA, FAA). Además, existen pequeñas pistas pertenecientes a escuelas de vuelo privadas, que aun pueden considerarse poco importantes respecto al tipo de aeronaves que operan, el número de operaciones que realizan y, por lo tanto, a las emisiones de contaminantes. Aeropuerto Internacional Córdoba. El Aeropuerto Internacional Córdoba está concesionada a la Empresa Aeropuertos 2000 desde el año El control de las operaciones que en él se realizan es llevado a cabo por la Fuerza Aérea Argentina. En esta plataforma operan todas las categorías de aeronaves civiles, pero desde hace algunos años un número considerable de vuelos militares son realizados también desde su plataforma, debido a la merma en el uso de las pistas del complejo militar. El Aeropuerto Córdoba se encuentra en la zona norte del éjido municipal, en la cuadrícula ambiental E1, lo que implica que los vientos predominantes del NE podrían transportar los contaminantes emitidos hacia la zona sur-sureste del éjido urbano. La información necesaria para estimar las emisiones contaminantes gaseosas de un aeropuerto puede obtenerse de: publicaciones de aeropuertos y servicios auxiliares la autoridad del aeropuerto local de encuestas Para estimar las emisiones gaseosas de las aeronaves en el Aeropuerto Córdoba se recurrió al modelo FAAED. El modelo emplea la base de datos de emisiones de los motores de aeronaves de la Administración Federal de Aviación (FAEED) de los EEUU. El modelo FAAED es un procedimiento de cálculo computarizado donde el usuario selecciona de la base de datos las tasas de emisión de acuerdo a los motores y tipos de aeronaves. El módulo solicita información del ciclo AD de cada aeronave, frecuencia de operaciones (número de ciclos AD en la unidad de tiempo) y los TIM correspondientes, también requiere la temperatura ambiente en ºC y la altura de la capa de mezcla. Conociendo la flotilla en tipo de aeronave y motor, y la frecuencia con la que operan las aeronaves, se pueden diversos datos con un valor por defecto incluido en la base de datos.

9 Se requirió a las autoridades del Aeropuerto Córdoba la planilla de registro diario de operaciones de la totalidad del año 1999, y se obtuvieron de él las categorías de aeronaves que operaron y la frecuencia de vuelos de cada mes. A fin de realizar una primera estimación, los TIM de cada aeronave fueron asignados por defecto. Debe tenerse en cuenta que la asignación del TIM por defecto sobrevalúa las estimaciones del Aeropuerto Córdoba, pues sus valores fueron obtenidos en aeropuertos de mayor envergadura y más congestionados. En el mes de diciembre del año 1998 se registraron dentro de la categoría de naves civiles la siguiente cantidad de ciclos AD: Aeronaves comerciales = 927 Aviación general (jets privados o avionetas), naves de negocios y taxis aéreos = 283 Aeronaves militares = 35 Resultados Se calcularon las emisiones anuales de lo aviones Boeing. La tabla 1 nos muestran los resultados discriminados por tipo de avión y por contaminante. La tabla 2 nos muestra las toneladas anuales de cada contaminate producida por los BOEING y la 3 nos muestra el mes de enero de 1998 considerado por ser un mes especial en el que viajaron muy pocos BOEING y se coloca a modo de ilustración de las variaciones que sufre la planificación de vuelos. Modelo, Aeronave y Categoría. B JET RANGO MEDIANO B JET GRAN RANGO B JET RANGO MEDIANO B JUMBO JET B JUMBO JET B JET RANGO MEDIANO AEROPUERTO INTERNACIONAL CÓRDOBA Operaciones Emisiones Emisiones Anuales CO (Kg) NOx (Kg) Emisiones HC (Kg) Tabla 1.

10 EMISIONES TOTALES ANUALES DE BOEING EN EL AEROPUERTO INTERNACIONAL CÓRDOBA. (TONELADAS) CO NOx HC Tabla 2. EMISIONES TOTALES DEL MES DE ENERO DE BOEING EN EL AEROPUERTO INTERNACIONAL CÓRDOBA. (TONELADAS) CO NOx HC Tabla 3. La proyección del crecimiento del número de vuelos realizada por el CIAL de la Universidad Nacional de Córdoba, nos indica que será de aproximadamente del 40% por cada 5 años. Por lo tanto si no consideramos ningún cambio tecnológico importante tendríamos los siguientes valores de emisiones para el año 2005, 2010 y 2015 respectivamente (tabla 4). EMISIONES TOTALES ANUALES DE BOEING EN EL AEROPUERTO INTERNACIONAL CÓRDOBA. (TONELADAS) CO NOx HC Tabla 4